微波檢測路基結(jié)構(gòu)層介電特性試驗研究分析電氣工程專業(yè)

1、摘要微波遙感作為重要的地球資源與環(huán)境信息獲取手段，因其先進(jìn)性而得到迅速發(fā)展。微波遙感機(jī)理研究如何從微波遙感數(shù)據(jù)源中提取有效的地物信息，具有十分重要的意義。介質(zhì)材料的微波介電特性是微波遙感機(jī)理研究的主要內(nèi)容，也是進(jìn)行微波遙感電磁參數(shù)反演的基礎(chǔ)。本論文從理論和實驗兩方面對介質(zhì)介電常數(shù)測量方法進(jìn)行了研究。論文首先對微波遙感的相關(guān)理論知識進(jìn)行了介紹，并對介電常數(shù)常用測量方法進(jìn)行了總結(jié)，討論了實驗室內(nèi)的波導(dǎo)法和同軸探針法。其中波導(dǎo)法屬于室內(nèi)測量方法，通過料盒的引進(jìn)能方便的測量樣品介電常數(shù)，對于低損耗樣品，這種測量方法精度很高；同軸探針法適合于高損耗介質(zhì)測量，尤其適合于液體物質(zhì)如水、鹽水、油等介電常數(shù)的測

2、量。除了波導(dǎo)法、探針法，論文重點討論了自由空間法。自由空間法屬于實地測量方法的一種，它適合于測量大面積的目標(biāo)的介電常數(shù)，并可以無損耗、非破壞的進(jìn)行測量，更加適合于微波遙感實際應(yīng)用。論文介紹了自由空間法的測量原理、定標(biāo)以及介電常數(shù)的反演。為了方便野外實地測量以及微波遙感的實際需要，本文針對介電常數(shù)的測量，提出了一種實地測量介電常數(shù)的簡易系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的測量原理。為后面的戶外實地探測打好了基礎(chǔ)。論文接下來對探地雷達(dá)進(jìn)行了介紹，將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在路面檢測方面，將前面的介電常數(shù)的測量理論知識與雷達(dá)技術(shù)結(jié)合起來。介紹了戶外數(shù)據(jù)采集時的天線選擇、參數(shù)選擇及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理、資料解釋等方面?；谖⒉ㄟb感建立

3、了一套戶外測試系統(tǒng)，通過探地雷達(dá)、天線、筆記本電腦對路面進(jìn)行實地探測、采集數(shù)據(jù)、資料解釋、數(shù)據(jù)處理及仿真成像，能夠較為快速直觀的的測量顯示出路面厚度，將理論與實際有機(jī)的結(jié)合起來。數(shù)據(jù)處理方面，利用Reflex對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行：靜校正（把地面定義為時間零點）、1維濾波（去直流飄移）、增益（能量衰減）、2維濾波 （背景去除）、1維濾波（巴特沃斯帶通濾波）、2維濾波 （滑動平均），最終直觀呈現(xiàn)路面?zhèn)惹袌D以及厚度數(shù)據(jù)，能夠做到準(zhǔn)確、快速、高效。關(guān)鍵詞：微波遙感，介電常數(shù)，波導(dǎo)法，自由空間法，探地雷達(dá)AbstractAbstract of dissertation should be concise

4、and clear, without comment and additional explanation. The content should include the purpose, method, result and conclusion, etc., it is independent and self-containedMicrowave remote sensing as an important means of acquiring information on the earths resources and environment has been rapidly dev

5、eloped due to its advanced nature. It is of great significance for microwave remote sensing mechanism research how to extract effective ground information from microwave remote sensing data sources. Microwave dielectric properties of dielectric materials are the main content of microwave remote sens

6、ing mechanism research, and also the basis for microwave remote sensing electromagnetic parameters inversion. This thesis studies the dielectric microwave and dielectric constant measurement methods from both theoretical and experimental aspects.Firstly, the paper introduces the relative theoretical

7、 knowledge of microwave remote sensing and summarizes the dielectric constant measurement methods. Besides, the waveguide method and the coaxial probe method in the laboratory are discussed. The waveguide method is an indoor measurement method. The dielectric constant of a sample can be conveniently

8、 measured through the introduction of a cartridge. For low-loss samples, this measurement method has high accuracy. The coaxial probe method is suitable for measuring high-loss media, and is particularly suitable for Measurement of the dielectric constant of liquid substances such as water, brine, a

9、nd oil.In addition to the waveguide method and probe method, the paper focuses on the free space method. The free space method is one of the field measurement methods. It is suitable for measuring the dielectric constant of a large-area target, and can perform measurement without loss and non-destru

10、ction, and is more suitable for practical applications of microwave remote sensing. The paper introduces the measurement principle, calibration and inversion of the permittivity of the free space method. In order to facilitate the field measurement and the actual needs of microwave remote sensing, t

11、his paper proposes a simple system for measuring the dielectric constant in the field of dielectric constant measurement, and gives the measurement principle of the system. It lays the foundation for the outdoor field detection. The paper then introduces the ground penetrating radar, applies the gro

12、und penetrating radar technology to the road surface inspection, and combines the previous theoretical knowledge of dielectric constant measurement with radar technology. The antenna selection, parameter selection, indoor data processing, and data interpretation during outdoor data acquisition are i

13、ntroduced. Based on microwave remote sensing, an outdoor test system was established. Ground penetrating radar, antenna, and notebook computer were used to conduct on-the-spot detection, data acquisition, data interpretation, data processing, and simulation imaging on the road surface. The road surf

14、ace thickness can be quickly and intuitively measured as combining theory and actual organic. For data processing, Reflex is used to perform static correction (defining the ground as time zero), 1D filtering (DC shifting), gain (energy attenuation), 2D filtering (background removal), and 1D filterin

15、g. (Butterworth Band pass Filtering) and 2D Filtering (Sliding Average) to visually present the road side cut and thickness data, which can be accurate, fast, and efficient.Key Words: Microwave remote sensing, Dielectric constant, Waveguide method, Free space method, Ground penetrating radar目錄 TOC o

16、 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc31057 摘要 PAGEREF _Toc31057 I HYPERLINK l _Toc7042 Abstract PAGEREF _Toc7042 II HYPERLINK l _Toc23571 目錄 PAGEREF _Toc23571 IV HYPERLINK l _Toc14186 第1章 緒論 PAGEREF _Toc14186 7 HYPERLINK l _Toc22261 1.1 課題的研究背景及意義 PAGEREF _Toc22261 7 HYPERLINK l _Toc2450 1.1.1 課題研究背景 PAGEREF

17、_Toc2450 7 HYPERLINK l _Toc3120 1.1.2 課題研究意義 PAGEREF _Toc3120 8 HYPERLINK l _Toc2659 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc2659 9 HYPERLINK l _Toc15702 1.3 研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc15702 11 HYPERLINK l _Toc7369 1.4 論文結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc7369 12 HYPERLINK l _Toc21177 第2章 介電常數(shù)基本理論 PAGEREF _Toc21177 13 HYPERLINK l _Toc15490 2.1

18、介電常數(shù)介紹 PAGEREF _Toc15490 13 HYPERLINK l _Toc778 2.1.1 介電常數(shù)的概念和作用 PAGEREF _Toc778 13 HYPERLINK l _Toc28603 2.1.2 介電常數(shù)與宏觀電磁場的關(guān)系 PAGEREF _Toc28603 16 HYPERLINK l _Toc17660 2.1.3 介電常數(shù)與微觀物質(zhì)特性及環(huán)境溫度、壓力的關(guān)系 PAGEREF _Toc17660 17 HYPERLINK l _Toc7854 2.1.4 影響介電常數(shù)變化的因素 PAGEREF _Toc7854 18 HYPERLINK l _Toc17133

19、2.2 地表粗糙度 PAGEREF _Toc17133 19 HYPERLINK l _Toc18721 2.3 菲涅爾反射系數(shù) PAGEREF _Toc18721 21 HYPERLINK l _Toc2274 2.3.1 菲涅爾反射系數(shù)定義 PAGEREF _Toc2274 21 HYPERLINK l _Toc4343 2.3.2 菲涅爾反射系數(shù)適用范圍 PAGEREF _Toc4343 22 HYPERLINK l _Toc10075 第3章 介電常數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc10075 24 HYPERLINK l _Toc2614 3.1 波導(dǎo)法 PAGEREF _To

20、c2614 24 HYPERLINK l _Toc6598 3.1.1 測量系統(tǒng) PAGEREF _Toc6598 24 HYPERLINK l _Toc1056 3.1.2 測量原理及計算 PAGEREF _Toc1056 24 HYPERLINK l _Toc30114 3.1.3 存在的問題 PAGEREF _Toc30114 26 HYPERLINK l _Toc23648 3.1.4 波導(dǎo)法改進(jìn)設(shè)計 PAGEREF _Toc23648 27 HYPERLINK l _Toc20359 3.1.5 軟件部分 PAGEREF _Toc20359 33 HYPERLINK l _Toc13

21、402 3.3 自由空間法 PAGEREF _Toc13402 35 HYPERLINK l _Toc28086 3.3.1 測量原理 PAGEREF _Toc28086 35 HYPERLINK l _Toc25107 3.3.2 金屬板標(biāo)定及測量過程 PAGEREF _Toc25107 37 HYPERLINK l _Toc23516 3.3.3 系統(tǒng)誤差分析 PAGEREF _Toc23516 37 HYPERLINK l _Toc339 3.3.4 優(yōu)缺點及適用范圍 PAGEREF _Toc339 38 HYPERLINK l _Toc21031 3.3.5 簡易測量系統(tǒng)設(shè)計 PAGE

22、REF _Toc21031 38 HYPERLINK l _Toc28402 3.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc28402 40 HYPERLINK l _Toc12776 第4章 路基測量系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc12776 41 HYPERLINK l _Toc1903 4.1 微波遙感 PAGEREF _Toc1903 41 HYPERLINK l _Toc11345 4.1.1 微波遙感原理 PAGEREF _Toc11345 41 HYPERLINK l _Toc2872 4.1.2 微波遙感特點 PAGEREF _Toc2872 42 HYPERLINK l _To

23、c3087 4.1.3 微波遙感重要參數(shù) PAGEREF _Toc3087 42 HYPERLINK l _Toc24149 4.2 探地雷達(dá) PAGEREF _Toc24149 45 HYPERLINK l _Toc8403 4.2.1 探地雷達(dá)的概念及工作原理 PAGEREF _Toc8403 45 HYPERLINK l _Toc18007 4.2.2 相關(guān)參數(shù) PAGEREF _Toc18007 47 HYPERLINK l _Toc1031 4.2.3 勘測過程參數(shù)描述 PAGEREF _Toc1031 50 HYPERLINK l _Toc8366 4.2.4 系統(tǒng)設(shè)備 PAGER

24、EF _Toc8366 50 HYPERLINK l _Toc26690 4.2.5 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)選擇 PAGEREF _Toc26690 51 HYPERLINK l _Toc7391 4.2.6數(shù)據(jù)處理和資料解釋 PAGEREF _Toc7391 51 HYPERLINK l _Toc28978 4.3 路面厚度測量系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc28978 52 HYPERLINK l _Toc8489 4.3.1 系統(tǒng)設(shè)計原理 PAGEREF _Toc8489 52 HYPERLINK l _Toc16414 4.3.2 設(shè)備選擇 PAGEREF _Toc16414 53 HYPE

25、RLINK l _Toc30112 4.3.3 檢測過程 PAGEREF _Toc30112 55 HYPERLINK l _Toc299 4.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc299 59 HYPERLINK l _Toc28867 第5章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc28867 60 HYPERLINK l _Toc26628 4.1 總結(jié) PAGEREF _Toc26628 60 HYPERLINK l _Toc31251 4.2 展望 PAGEREF _Toc31251 60 HYPERLINK l _Toc16031 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc16031 61 H

26、YPERLINK l _Toc6725 致謝 PAGEREF _Toc6725 64第1章 緒論科學(xué)在發(fā)展，時代在進(jìn)步，微波技術(shù)在航空航天、衛(wèi)星遙感、微波通信以及民生等眾多方面都被廣泛應(yīng)用，也因此微波的產(chǎn)生、傳播以及與介質(zhì)材料的相互作用等方面必然地成為了研究和探索的熱門。人們發(fā)現(xiàn)用微波遙感技術(shù)對陸地、海洋、大氣探測能獲得比紅外、可見光探測更多的信息，且微波遙感具有全天候、全天時的工作能力，能實現(xiàn)實時動態(tài)的檢測，對一物體具有一定的穿透能力，能獲得被測物體的具體參數(shù)，可實現(xiàn)定量測量。課題的研究背景及意義1.1.1 課題研究背景微波遙感作為二十世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的新型遙感手段，具有全天時、全天

27、候以及較強(qiáng)的穿透能力，在對地觀測中具有獨特的優(yōu)勢。微波遙感是利用傳感器接收地面各種地物回波信號的一種遙感手段。微波遙感全過程包括信息獲取、星上處理、傳輸、地面處理及應(yīng)用處理。按學(xué)科來分，包括基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)研究等方面。按基礎(chǔ)技術(shù)體系來分，包括微波輻射計、微波散射計、微波高度計 、微波雷達(dá)。目前微波遙感前沿技術(shù)研究包括合成孔徑技術(shù)研究、散射測量技術(shù)研究、高度測量技術(shù)研究以及輻射計技術(shù)研究等。微波遙感包括主動微波遙感和被動微波遙感。被動微波遙感是通過接收地物的微波輻射信號來獲取信息的。主動微波遙感則是通過主動發(fā)射微波信號然后接收地物反射回來的回波信號來獲取地物信息的。合成孔徑雷達(dá)是目前最主

28、要的主動微波遙感裝置，它的出現(xiàn)和發(fā)展開啟了微波遙感新時代。微波遙感不僅可以利用光學(xué)、紅外等對地物的表面特征和光譜信息進(jìn)行測量，還能利用微波獨特的穿透性測量深度的物質(zhì)組成。微波遙感獲取的信息不僅包括目標(biāo)的表面幾何特征，還包括物質(zhì)的內(nèi)部物理特性。從電磁學(xué)角度來說，不同的物質(zhì)的相對介電常數(shù)大小不同，而復(fù)介電常數(shù)是表述電磁場與物質(zhì)相互作用的宏觀參量之一。自然界中由于實際地物的物理特征不同，其反射和散射的強(qiáng)度也往往不同。具體的散射有面散射和體散射兩種，面散射的散射強(qiáng)度和表面的復(fù)介電常成正比數(shù)，其表面粗糙度來決定了其散射的方向圖。而體散射的散射強(qiáng)度除了與介質(zhì)的介電常數(shù)的不連續(xù)性成比關(guān)系，還與嵌入不均勻性的

29、密度以及散射成正比關(guān)系。目前微波遙感領(lǐng)域，實驗建立的散射模型都是關(guān)于地物介電常數(shù)的函數(shù)，目的是希望地物介電常數(shù)的反演更加準(zhǔn)確。因此有必要對典型地物的介電特性進(jìn)行研究，以獲得全面的介電常數(shù)信息，是微波遙感機(jī)理研究的有效途徑，也是進(jìn)行地物散射研究和電磁參數(shù)反演研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)。各種雷達(dá)微波遙感數(shù)據(jù)源的迅猛發(fā)展對微波遙感機(jī)理研究提出了要求，即如何從如此多的高質(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)源中提取出實際應(yīng)用需要的各種地物信息，從而真正有效地應(yīng)用于不同領(lǐng)域。已有研究工作者對此進(jìn)行了一系列的微波遙感機(jī)理研究，主要進(jìn)行地面試驗，對各種地物參數(shù)進(jìn)行測量，然后驗證和修正已有的散射模型，建立新的散射模型，使這些模型能應(yīng)用于雷達(dá)遙

30、感中進(jìn)行信息提取，包括各種典型地物微波特性、介電特性，散射特性以及輻射特性的測量和理論研究，建立先驗特征庫；根據(jù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了各種典型地物散射模型和反演模型的研究。探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是近年來一種新興的地下探測與混凝土構(gòu)筑物無損檢測的新技術(shù)，它是利用寬頻帶高頻電磁波信號探測介質(zhì)結(jié)構(gòu)分布的非破壞性的探測儀器，再通過雷達(dá)天線對隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像。隨著90年代探地雷達(dá)技術(shù)的引進(jìn)及近年來國內(nèi)外探地雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的探地雷達(dá)進(jìn)入到了公路檢測及地質(zhì)預(yù)報工作中去，人們也逐漸的認(rèn)識到了探地雷達(dá)在公路、鐵路、隧道燈

31、大規(guī)模工程設(shè)施黨無損檢測中的特點及優(yōu)勢。1.1.2 課題研究意義在電磁波理論中，研究電磁波與介質(zhì)的相互作用及場變化主要是通過研究其介質(zhì)的介電常數(shù)來分析，因為不同物質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的是有著本質(zhì)的區(qū)別；在物理學(xué)上研究人員在研究不同電介質(zhì)及其性質(zhì)也是利用介電常數(shù)去研究；在微波遙感領(lǐng)域，典型地物的介電常數(shù)是其研究地物如土壤、植被、深林、海水、冰雪等的散射特性的關(guān)鍵部分，因為微波遙感機(jī)理研究中所接收到的地物信息，一部分反映了目標(biāo)的幾何特征，其余幾乎反映的都是介電常數(shù)的相關(guān)信息。因此要想得到相關(guān)的地物信息，必須建立這些地物信息與介電常數(shù)之間的理論公式或經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，不管是在主動微波遙感的研究中還是在被動微波遙感的

32、研究中，接收到的微波信號里面含有了被測樣品的介電常數(shù)的信息，是關(guān)于被測樣品介電常數(shù)的函數(shù)。由此可知，典型地物的介電常數(shù)反映了其介質(zhì)的根本屬性，是定量化遙感研究所必需的參數(shù)，它不僅與物質(zhì)組成有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)、密度、含水量等許多因素有關(guān)。介電常數(shù)的測量方法很多，但其主要有傳輸線法、波導(dǎo)傳輸反射法、諧振腔法、探針法、自由空間法等。每一種方法都是在一定的范圍內(nèi)使用。其中室內(nèi)測量方法主要有傳輸線法、諧振腔法、波導(dǎo)傳輸反射法，測量時要求必須有相應(yīng)的樣品采集技術(shù)并在實驗室中進(jìn)行，由于在采集過程中，一些外在環(huán)境上的改變(如密度、壓力、濕度)以及在樣品的加工處理過程中會造成一些內(nèi)在屬性的改變使得測量與真實值之間

33、產(chǎn)生了一定的偏差。實地測量方法主要有自由空間法和探針法，這兩種方法在實驗過程中斗不需要采集樣品就可以直接進(jìn)行測量。探針法實驗測量過程相對穩(wěn)定，測量結(jié)果有很好的精度，但是只能測量一定范圍的介電常數(shù)。自由空間法雖然受客觀條件限制的影響因素較多，但是可以進(jìn)行大面積開放式的測量，并且測量過程相對簡單，因此在電磁材料、微波遙感領(lǐng)域得到了廣泛的引用。我們生存的地球地廣物博，應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的新舊材料數(shù)不勝數(shù)，要想更好的將各種材料應(yīng)用于我們的生活中，必須對其性質(zhì)性能有充分的了解。介電常數(shù)能夠體現(xiàn)材料的各種性質(zhì)，我們可以通過測出他們的介電常數(shù)來了解其性質(zhì)性能。同時，為了滿足微波遙感應(yīng)用的需求，我們也必須提前準(zhǔn)

34、確的測量出他們的介電常數(shù)。介質(zhì)相對介電常數(shù)的測量方法層出不窮，每種測量方法都有各自的優(yōu)缺點，而且它們的適用范圍也各不相同。我們要研究他們的室內(nèi)測量系統(tǒng)，根據(jù)需要，完善測試方法，提高測量的準(zhǔn)確度。因此，對于材料的室內(nèi)介電常數(shù)測量方法進(jìn)行研究具有十分重要的意義。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀介質(zhì)的相對介電常數(shù)可以通過理論介電模型計算和實驗測量反演計算兩種方法獲得。理論介電模型計算從微觀的角度出發(fā)，通過測量介質(zhì)所處的電磁波頻率，溫度以及物質(zhì)內(nèi)部組成（如成分，濕度等）等參數(shù)，利用復(fù)介電常數(shù)與這些參數(shù)的函數(shù)關(guān)系計算而求得。實驗測量反演計算從宏觀的角度出發(fā)，二是實驗測量反演獲得，通過測量電磁波在介質(zhì)傳輸過程中的反射，傳輸

35、等參數(shù)，利用這些參數(shù)與復(fù)介電常數(shù)的反演公式計算而得。具體的測量方法有很多，室內(nèi)測量介電常數(shù)方法中的波導(dǎo)法、諧振腔法、傳輸線法等在測量前必須要有相應(yīng)的樣品采集技術(shù)對樣品進(jìn)行處理，但是采集制備過程中往往會造成材料密度，含水量以及壓力的改變，從而導(dǎo)致了被測樣品性質(zhì)的改變，并且在很多情況下切割樣品會浪費掉很多時間，由此便會給實驗帶來很多不便。因此介電常數(shù)的實地測量方法的研究越來越受研究人員的關(guān)注，而常見的介電常數(shù)的實地測量方法主要有兩種，分別為探針法和空間波法。國內(nèi)在探針法和自由空間法的研究中也有很多，中科院魏偉利用探針法進(jìn)行了實地測量研究并應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。而自由空間波法在 80 年代后逐漸有一些

36、科研單位開始進(jìn)行這方面工作，中國科學(xué)院黃楊等人對黃淮海平原幾種土壤的微波介電常數(shù)進(jìn)行了實地測試，只測量反射信號的幅度來進(jìn)行反演，對結(jié)果進(jìn)行了理論分析。中國科學(xué)院長春地理所微波遙感室張俊榮、張德海等人詳細(xì)介紹了自由空間法的測量原理，定標(biāo)過程，以及進(jìn)行了幾種典型目標(biāo)物(冰、野草、土壤）介電常數(shù)的測量，中國電波研究所的康士峰利用同軸探針測量研究了地物介電常數(shù)的測量方法，另外中國科學(xué)院電子研究所陳志雨、夏明耀等人對空間波法進(jìn)行了大量的研究。他們主要基于菲涅爾反射系數(shù)通過測量幅度和相位來反演介電常數(shù)。并在 1999 給出了一種極化狀態(tài)下金屬板定標(biāo)法以及反演公式及算法。后來他們試驗了雙極化法，重點介紹空間

37、波法的實驗系統(tǒng)、實驗方法的同時，還給出了幾種方法對同一樣品的測試結(jié)果。夏明耀研究了不同定標(biāo)下的自由空間法的反演，并給出了解析結(jié)果及誤差分析，這一方法推動了自由空間法利用菲涅爾反射定律進(jìn)行反演的應(yīng)用。國外在探針法的測量上比較成熟，主要由單極陣子探針和同軸線探針法。1980年 Elisa利用兩個單級陣子天線測量了 1-10GHz 的海冰的介電常數(shù)。1987 年 Glenn等人利用探針法通過測量諧振時諧振阻抗來反演介電常數(shù)，通過附加寄生部件降低了測量過程中被測樣品邊界反射的影響，并取得了很好的效果；1992 年 YHD通過喇叭陣子天線插入到被測介質(zhì)中，測量天線的阻抗進(jìn)而反演出介電常數(shù)使測量結(jié)果更加精

38、確。此外很多研究人員利用探針法對尼龍、海水、土壤等進(jìn)行了測量，并取得了很好的效果。Katie等人通過利用開口同軸線以及六端口反射計進(jìn)行非破壞的寬頻帶測量介電常數(shù)，提高了測量的靈敏度。但是探針法測量的范圍并不能代表大面積被測樣品的介電常數(shù)，故要想獲得大面積的被測樣品的介電常數(shù)就必須考慮自由空間法。早在 1987 年 Cullen 等人通過菲涅爾反射定律提出自由空間反演方法，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及發(fā)射和接收天線通過測量被測物質(zhì)的散射參數(shù)的幅度和相位進(jìn)行反演介電常數(shù)。1991 年 Umari 提出了一種全新的自由空間雙靜態(tài)校正方法，利用點聚焦天線有效地減少了發(fā)射天線與接收天線之間的多重反射，并引入修

39、正因子修正測量的反射系數(shù)，減小了入射波在樣品表面的散焦影響，使在自由空間對材料電磁參數(shù)的測量易于實現(xiàn)。2001 年 MFAkay等人提出了一種自由空間法自動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過測量反射和傳輸系數(shù)的幅度來反演介電常數(shù)，其算法是基于菲涅爾反射導(dǎo)出反射系數(shù)和傳輸系數(shù)與介電常數(shù)的關(guān)系，給出了測量系統(tǒng)原理圖，并說明了每一部分的組成及作用。2002 年 FaisaMuhamad等人利用自由空間法在 X 波段對 Wafer 材料的介電常數(shù)進(jìn)行了測量，其算法是基于傳輸、反射參數(shù)進(jìn)行。2006 年 Ugur Cem Hasar介紹了一種實時測量高損耗介質(zhì)（灰泥涂料）介電常數(shù)的自由空間法測量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)主要有兩

40、部分組成，微波部分和電路部分，其中微波部分是在一個固定頻率上測量傳輸和反射系數(shù)的幅度，電路部分用一個微處理器來處理數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果，該方法在知道樣品厚度的情況下只需測量反射系數(shù)的幅度便可反演出介電常數(shù)。2008 年 Ivan Robert等人利用自由空間法對水泥墻進(jìn)行了測量，通過測量水泥板的反射系數(shù)，并且利用菲涅爾反射原理最終反演了介質(zhì)的介電常數(shù)，該文反演算法中引入了非線性最小二乘法計算反射系數(shù)的幅度的平方。以上這些方法中大部分都是以透射法為主，并且針對的大部分都是電磁材料的介電常數(shù)的測量，然而在微波遙感研究中，一般情況下都要對地物進(jìn)行測量，而且采用的是反射法，并且研究的波段多集中在厘米波段，因

41、此有必要進(jìn)行更一步的自由空間法在微波領(lǐng)域的研究，為微波遙感實現(xiàn)參數(shù)的定量反演打下堅定的基礎(chǔ)。1.3 研究內(nèi)容該課題主要來源于遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院道路養(yǎng)護(hù)中心關(guān)于“探地雷達(dá)在路面檢測中的應(yīng)用”方面的研究。論文首先介紹了介電常數(shù)相關(guān)理論知識，隨后設(shè)計并改進(jìn)了室內(nèi)測量材料介電常數(shù)的系統(tǒng)，分別是波導(dǎo)法和自由空間法。波導(dǎo)法測量精度高且計算簡單，對低損耗介質(zhì)介電常數(shù)進(jìn)行精確測量，本文設(shè)計了一種改進(jìn)的波導(dǎo)測量方法，使測量過程更加的方便，測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。自由空間法是用來進(jìn)行大面積介電常數(shù)的非破壞性測量，本文在自由空間法的基礎(chǔ)上提出了一種介電常數(shù)的實地測量方案，并進(jìn)行了前期的理論推導(dǎo)以及實驗論證工作，為后續(xù)工

42、作打下了堅定的基礎(chǔ)。本文還將實驗室內(nèi)的研究成果與實地測量結(jié)合起來，研究路基材料的介電特性。利用探地雷達(dá)建立了一套基于微波遙感的實地檢測路面厚度的測量系統(tǒng)，在戶外進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并通過Reflex對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和成像，最終可以直接呈現(xiàn)路面?zhèn)绕蕡D以及得到較為準(zhǔn)確的路面厚度值。充分的將理論與實際結(jié)合起來，更好的將微波遙感應(yīng)用于實際測量中。微波遙感基礎(chǔ)進(jìn)行微波遙感機(jī)理研究是本論文研究的基礎(chǔ)和目的。對微波遙感基本原理和重要參數(shù)進(jìn)行的研究，為本論文研究思路，方法提供了重要的依據(jù)。室內(nèi)測量介電常數(shù)方法研究對介電常數(shù)室內(nèi)測量方法的研究是本論文重要的研究內(nèi)容之一。針對傳統(tǒng)波導(dǎo)傳輸/反射法研究存在的問題，

43、實驗室建立了室內(nèi)波導(dǎo)測量系統(tǒng)并對該系統(tǒng)和方法進(jìn)行了改進(jìn)和完善，包括一系列的算法改進(jìn)。文章還對自由空間法進(jìn)行了研究，建立了簡易的試驗系統(tǒng)，為后面的戶外實測應(yīng)用打下基礎(chǔ)。探地雷達(dá)測量系統(tǒng)對探地雷達(dá)技術(shù)在路面檢測方面的應(yīng)用進(jìn)行了學(xué)習(xí)，重點對野外數(shù)據(jù)采集時的天線選擇、參數(shù)選擇及室內(nèi)數(shù)據(jù)處理、資料解釋等方面進(jìn)行了研究，將研究成果應(yīng)用于路基的面層厚度測量中。基于微波遙感建立了一套戶外測試系統(tǒng)，通過探地雷達(dá)、天線、筆記本電腦對路面進(jìn)行實地探測、采集數(shù)據(jù)，再通過Reflex進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及仿真成像，能夠較為快速直觀的的測量顯示出路面厚度，將理論與實際有機(jī)的結(jié)合起來。1.4 論文結(jié)構(gòu)論文以介電常數(shù)、微波遙感等理論

44、知識為基礎(chǔ)，以室內(nèi)測量方法研究、簡易系統(tǒng)設(shè)計及算法模型建立為主要研究內(nèi)容，并將理論應(yīng)用到實際測量中，利用探地雷達(dá)建立實地測量系統(tǒng)，對路基面層厚度厚度進(jìn)行測量。第1章為緒論部分，主要介紹了微波遙感及探地雷達(dá)的發(fā)展背景，各種材料的微波介電特性及其室內(nèi)測量方法的研究意義，以及實地檢測介電常數(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。第2章介紹介電常數(shù)相關(guān)理論基礎(chǔ)，包括與介電常數(shù)相關(guān)的概念和參數(shù)以及地表粗糙度與菲涅爾反射系數(shù)。還著重介紹了影響介電常數(shù)的主要因素以及菲涅爾反射系數(shù)的使用條件。第3章設(shè)計并改進(jìn)了兩種實驗室內(nèi)測量介電常數(shù)的方法，包括波導(dǎo)傳輸反射法、和自由空間法。還提出了一種適合于實地測量介電常數(shù)的自由空間法簡易測量

45、系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了闡述和分析。第4章由室內(nèi)測量介電常數(shù)過渡到戶外實地測量，在微波遙感以及探地雷達(dá)的概念、工作原理、相關(guān)參數(shù)等基礎(chǔ)上，設(shè)計了室外測量系統(tǒng)，利用探地雷達(dá)檢測路基面層厚度。介紹了檢測原理，檢測方法，以及用到的軟硬件設(shè)備，能夠較為快速準(zhǔn)確的檢測出路基面層厚度。第5章由對全文工作進(jìn)行總結(jié)，并提出了不足和展望。第2章 介電常數(shù)基本理論介電常數(shù)則決定了電磁波的傳播速度，同時它還決定了兩個不同介質(zhì)的對比度（即兩個介質(zhì)的界面是否有反射），另外決定了電磁波在介質(zhì)中的“足印”（即電磁波在介質(zhì)中的覆蓋范圍）。目前微波遙感的理論研究和實驗室建立起來的多種散射模型都是關(guān)于介電常數(shù)的函數(shù)，因此有必要開

46、展介質(zhì)材料介電特性的研究，在測量介電常數(shù)之前有必要了解影響介電常數(shù)研究的相關(guān)參數(shù)，獲得他們?nèi)娴慕殡姵?shù)的信息。2.1 介電常數(shù)介紹介電常數(shù)表示介質(zhì)電特性的一個特殊物理量，它由介質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)和周圍環(huán)境共同決定。介電常數(shù)在宏觀上反映的是介質(zhì)對電磁波的輻射能力、散射能力以及傳輸、吸收特性，微觀上反映的是介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，介質(zhì)的物理參數(shù)和電磁特性可以通過介電常數(shù)聯(lián)系起來，因此可以獲得物質(zhì)的內(nèi)部性質(zhì)形狀等特征參數(shù)參量，因此介質(zhì)極化的宏觀現(xiàn)象和微觀結(jié)構(gòu)便可以通過介電常數(shù)聯(lián)系在一起，說明了地物介電常數(shù)的深入研究對微波遙感的參數(shù)反演、參數(shù)解譯、判讀的重要性。當(dāng)雷達(dá)天線輻射的電磁波到達(dá)地表時，在地表處發(fā)

47、生散射和透射，散射波和透射波與入射波相比都其傳播速度發(fā)生了不同程度的衰漸，介電常數(shù)的大小往往決定了這種影響。土壤復(fù)介電常數(shù)的值通常與入射波的頻率、土壤的組成、溫度和土壤的物理、化學(xué)、物理化學(xué)和生物學(xué)特性有關(guān)，其中起決定作用的是土壤含水量，這也是微波遙感反演土壤水分的物理基礎(chǔ)。2.1.1 介電常數(shù)的概念和作用介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，介質(zhì)中的電場減小與原外加電場(真空中)的比值即為相對介電常數(shù)(relative permittivity或dielectric constant)，又稱誘電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場

48、中，電場的強(qiáng)度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。理想導(dǎo)體的相對介電常數(shù)為無窮大。相對介電常數(shù)的值表示將介質(zhì)中電荷分開的力。1.電磁波在介質(zhì)中的傳播速度完全由相對介電常數(shù)來決定,電磁波傳播路徑如圖2.1所示：圖2.1 電磁波傳播路徑參數(shù)關(guān)系式如下所示： （2.1） （2.2） （2.3） （2.4）其中,Z1 為第一層的阻抗,Z2 為第二層的阻抗;r 為反射系數(shù);是磁導(dǎo)率;為介電常數(shù)；。為了描述兩層之間的界面是否有足夠的反射,以便我們的雷達(dá)能夠探測到該界面,我們定義反射系數(shù) Pr ,其公式為: （2.5）其中，為第二層介質(zhì)的介電常數(shù)，為第一層介質(zhì)的介電常數(shù)。當(dāng) Pr 0.01 時，就能有足夠的反射。2.

49、正如我們前面所述，相對介電常數(shù)與含水量有密切的關(guān)系。對大多數(shù)干燥的地下介質(zhì)來說，其相對介電常數(shù)小于10.純水的相對介電常數(shù)為81（因此水中電磁波的速度為，即），空氣中的相對介電常數(shù)為 1。 下圖2.2是相對介電常數(shù)與含水量的關(guān)系：圖2.2 相對介電常數(shù)與含水量的關(guān)系可見,相對介電常數(shù)與含水量成正比。3.電磁波在介質(zhì)中傳播時，我們經(jīng)常采用幾何光學(xué)的原理來描述和計算，這樣計算起來會比較方便.但實際上，電磁波在地下介質(zhì)的半無限空間中呈球面?zhèn)鞑?，我們?yīng)該用惠更斯原理來描述電磁波的反射，折射和衍射，如下圖2.3所示：圖2.3 電磁波球面?zhèn)鞑D只有這樣,我們才能理解為什么當(dāng)雷達(dá)剖面垂直于地下管線時，得到的

50、圖像是拋物線形。如下圖2.4所示:圖2.4 拋物線形圖另外,我們也應(yīng)該注意,雷達(dá)在探測時探測到的地下反射物，并不一定是在天線的正下方，在雷達(dá)探測的有效區(qū)域,如果地下有反射界面或反射體存在，雷達(dá)也會探測到。2.1.2 介電常數(shù)與宏觀電磁場的關(guān)系介電常數(shù)是一個常量，用來衡量介質(zhì)在外加電場作用下其電荷發(fā)生極化后的電荷分布情況，定義為電通量 D 與外加電場強(qiáng)度 E 之比。當(dāng)介質(zhì)中出現(xiàn)電偶極子，并且這些電偶機(jī)子按一定方向分布的時候就表明了介質(zhì)已經(jīng)在外加電場的作用下發(fā)生了極化。電介質(zhì)在外加電場作用下的極化能力越強(qiáng)，其介電常數(shù)就越大。當(dāng)取消外加電場后，介質(zhì)中的電荷分布就會回歸到先前的正常狀態(tài)，即沒有發(fā)生極化

51、的原始狀態(tài)，這個恢復(fù)過程被稱為松弛過程。介質(zhì)在外加電磁場中的介電特性可以大致分為兩種情況，一種是電介質(zhì)在外加靜電場中的情況;另一種是電介質(zhì)在外加交變電磁場中的情況。為了方便討論分析，這里先討論電介質(zhì)在外加靜電場中的情況研究其介電常數(shù)，然后再詳細(xì)討論介質(zhì)在微波波段的相對復(fù)介電常數(shù)。當(dāng)電介質(zhì)處于外加靜電場時，定義其電通量密度為，則： （2.6）其中，表示電介質(zhì)的極化強(qiáng)度，即電介質(zhì)單位體積單元內(nèi)的合成電矩值；表示電介質(zhì)內(nèi)部場強(qiáng)，表示空氣的介電常數(shù)，該值為8.854 F / m。公式（2.6）可以表示為： （2.7）其中，表示電介質(zhì)的介電常數(shù)，表示相對空氣的相對介電常數(shù)，電介質(zhì)的介電常數(shù)表示了電介質(zhì)內(nèi)

52、部場強(qiáng)改變其電通量密度的程度。對于各向同性的電介質(zhì)，由于外加電場與介質(zhì)內(nèi)部電場的方向一致，因此為標(biāo)量；而對于各向異性的電介質(zhì)，只有當(dāng)外加電場方向與介質(zhì)內(nèi)部極性分子的分布中的其中一根線平行的時候，才為標(biāo)量。由上可知，電介質(zhì)的介電常數(shù)在外加靜電場中表示為標(biāo)量，代表了電介質(zhì)對電磁波的存貯效應(yīng)。在外加交變電場中，由于電介質(zhì)的電導(dǎo)率并不為零，若假設(shè)外加的交變電磁場為正弦場，則麥克斯韋方程組中的磁場旋度方程可以表示為： （2.8）定義表示外加交變電磁場中電介質(zhì)的介電常數(shù)，表示相對于空氣的相對介電常數(shù)，這里的是一個附屬，可以表示為： （2.9） 電介質(zhì)之所以是一個復(fù)數(shù)是由于電介質(zhì)在交變電場中，電介質(zhì)的極化隨

53、著電場的變化而變化，在變化過程中內(nèi)部將產(chǎn)生摩擦力，摩擦力轉(zhuǎn)換為熱能從而對電磁波產(chǎn)生損耗，這是電介質(zhì)在電磁波中為負(fù)數(shù)的主要原因。在損耗電介質(zhì)中，電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的程度可以用介電常數(shù)的虛部或損耗正切來表示?？梢姡饧咏蛔冸姶艌鲋械膹?fù)介電常數(shù)同時表示了電介質(zhì)對電磁波的存貯效應(yīng)和損耗。在損耗介質(zhì)中，內(nèi)部電荷在電場作用下發(fā)生位移摩擦，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，轉(zhuǎn)化的多少可用或來度量。而復(fù)介電常數(shù)的實部則影響傳播的電磁波的電場，改變其電磁場的比值和波阻抗，以及電磁波的傳播速度和其它一些電磁波的傳播特性。另外，電介質(zhì)的存貯效應(yīng)和損耗隨著電磁波的頻率不同也不相同，因此電介質(zhì)在交變電場中的復(fù)介電常數(shù)會隨著電磁波的頻率

54、變化而變化。2.1.3 介電常數(shù)與微觀物質(zhì)特性及環(huán)境溫度、壓力的關(guān)系介電常數(shù)是由電介質(zhì)的微觀極化方式?jīng)Q定的，介電常數(shù)與極化分布的定量關(guān)系可以由介電常數(shù)與極化率的關(guān)系來表示。以電介質(zhì)在外加靜電場中的情形為例，與的關(guān)系可以用克勞修斯莫索諦方程表示為： （2.10）其中，表示電介質(zhì)單位體積內(nèi)的分子個數(shù)。 公式（2.10）一般只適合于只有位移極化的非極性氣體介質(zhì)。對于其他極性氣體，由于存在轉(zhuǎn)向極化，需要考慮其影響，故公式（2.10）可以變?yōu)椋?（2.11）其中，表示玻耳茲曼常數(shù)，表示絕對溫度，表示電介質(zhì)內(nèi)分子的恒定偶極矩。電介質(zhì)的介電常數(shù)會隨著環(huán)境溫度和壓力的變化而變化。對于氣態(tài)電介質(zhì)，這種變化更大。

55、極性氣體的介電常數(shù)隨壓力的變化比非極性氣體介質(zhì)介電常數(shù)隨壓力的變化更為重要，但是壓力的影響仍然是比較小的。介電常數(shù)隨溫度的變化主要原因在于環(huán)境溫度與介質(zhì)的轉(zhuǎn)向極化率成反比。綜上所述，介質(zhì)的介電常數(shù)是一個由介質(zhì)本身性質(zhì)和外界環(huán)境共同決定表示介質(zhì)電特性的物理量。在宏觀上，介電常數(shù)反映介質(zhì)對電磁波的輻射、散射、吸收、傳輸?shù)忍匦?，從微觀上，介電常數(shù)是反映了介質(zhì)內(nèi)部化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)，因此可以通過介電常數(shù)建立介質(zhì)電磁波特性與介質(zhì)物理參數(shù)間的定量關(guān)系，從而獲得介質(zhì)的性質(zhì)、狀態(tài)、形狀等特征參數(shù)。2.1.4 影響介電常數(shù)變化的因素一般情況下介電常數(shù)定義電通量密度或電位移與外加電場強(qiáng)度之比，它描述的是介質(zhì)在外加

56、電場作用時其帶電電荷發(fā)生極化后的電荷分部情況的一個常量，當(dāng)介質(zhì)周圍存在電磁場時，由于介質(zhì)分子在電場中發(fā)生極化現(xiàn)象使介質(zhì)中出現(xiàn)電偶極矩導(dǎo)致了電場發(fā)生變化，按一定方向排列的偶極子所產(chǎn)生的外加電場疊加與原來電場上，原電場便會發(fā)生變化；電介質(zhì)的介電常數(shù)會隨著外加電場的極化程度的變化而變化，其極化能力越強(qiáng)介電常數(shù)就越大。當(dāng)外加電場消失后，介質(zhì)中的變化的電荷分布就會回歸到先前的原始狀態(tài)，這個恢復(fù)過程被稱為松弛過程。介質(zhì)中的介電常數(shù)可以根據(jù)外加電場分為在靜電場和交變電場兩種情況進(jìn)行分析。當(dāng)外加靜電場作用于電介質(zhì)，電通量密度為可以表示為： （2.12）式中，為介質(zhì)的極化強(qiáng)度； 是自由空間中空氣的介電常數(shù)，表示

57、電介質(zhì)內(nèi)部的場大小，公式（2.12）可以表示為： （2.13）其中，表示的是被測介質(zhì)介電常數(shù)，是表示電介質(zhì)中的電通量密度的改變引起的電場強(qiáng)度的變化的相對介電常數(shù)，在各向均勻的電介質(zhì)，與外加電場無關(guān)，同時介質(zhì)內(nèi)部電場和外加電場的方向一致，故為標(biāo)量；而對于各向異性的電介質(zhì)，一般情況下都是一個張量并且與外加電場方向有關(guān)，只有當(dāng)外加電場方向平行于極性分子分布中的某一根線，才為標(biāo)量。由上可知介質(zhì)的介電常數(shù)在外加靜電場中表示為標(biāo)量，它表示了電介質(zhì)對電磁波的存貯效應(yīng)。實際的電介質(zhì)是有損耗的，并且是一個復(fù)數(shù)，其實部和虛部都是頻率的函數(shù)，并且實部總是大于零的正數(shù)。電介質(zhì)的電導(dǎo)率在外加交變電場中并不為零，如果外加

58、交變場為正弦場，磁場旋度方程利用麥克斯韋方程組表示為： （2.14）定義等效介電常數(shù), 它表示當(dāng)外加交變電磁場作用與電介質(zhì)是發(fā)生的變化，表示空氣的相對介電常數(shù)，這里的 是一個復(fù)數(shù)，可以表示為： （2.15）其介電常數(shù)的虛部反映了介質(zhì)產(chǎn)生的損耗，定義損耗正切為 ,那么我們可以看出來在交變電場中，電介質(zhì)對電磁波的存儲效應(yīng)用介電常數(shù)的實部表示，電介質(zhì)對電磁波的損耗用虛部表示。在交變電場中，電介質(zhì)之所以是負(fù)數(shù)是因為電場變化過程中內(nèi)部電荷在電場作用下發(fā)生了摩擦，位移的摩擦使電磁能換為熱能，并且轉(zhuǎn)化的多少用來衡量，正是由于這種電磁能的逐漸衰減，并且使電磁振蕩收到阻尼運動。而復(fù)介電常數(shù)的實部則影響傳播電磁波

59、的電場，從而改變了電磁場的比值和電磁波的波阻抗，同時使電磁波的傳播速度減慢，并且其它一些電磁波的傳播特性也由此改變。另外電介質(zhì)在交變電場中的存貯效應(yīng)和損耗會隨著電磁波的頻率的改變而改變，故其介電常數(shù)也會隨著波的頻率變化而變化。2.2 地表粗糙度微波遙感機(jī)理研究的另一個重點是地表的粗糙度，因為它在一定程度上影響了地表雷達(dá)波的后向散射特性。只有解決了地表粗糙度的影響，才能建立起地表電磁散射模型及參數(shù)反演模型。電磁波與粗糙表面以及各種隨機(jī)介質(zhì)的相互作用定義為粗糙面的散射，如果反射面是光滑則為鏡面反射，用菲涅爾反射定律便可描述。在很多情況下反射面是粗糙的，當(dāng)電磁波入射到粗糙表面分界面時，粗糙度的散射功

60、率有反射功率和漫散射兩個分量，鏡面反射主要由反射功率分量表示，而粗糙面的粗糙程度決定了漫射分量的大小，散射分量隨著粗糙度的增加而增強(qiáng)。當(dāng)電磁波照射到粗糙物體其表面時，其波的傳播特性和反射特性往往受其表面粗糙度的影響，不同的電磁波照射到同一物體表面時，其體現(xiàn)的粗糙度變化程度也是不同，隨機(jī)粗糙表面散射強(qiáng)度的大小由觀測物體的尺度和電磁波的波長的相對關(guān)系共同決定。并且可以通過瑞利準(zhǔn)則這個指標(biāo)對表面粗糙度進(jìn)行表征。瑞利判據(jù)描述的是當(dāng)電磁波照射到一物體表面，對于其入射角為，散射角為的任意兩點上的電磁波的相位差表示為： （2.16）其中為入射矢量，和分別表示粗糙面上任意兩個點在直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，對于鏡面反