Бескалибровочный радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости по отражению от поверхности раздела в безэховой камере Российский патент 2020 года по МПК G01R27/26 

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.

Для достижения технического результата проводится измерение комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения R на заданных поляризациях излучения при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля, при этом измерения проводят в безэховой камере при температуре Т₀ равной температуре измеряемого вещества T_S, измеряют сигнал радиометра U₀ при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра U_пр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо по оси диаграммы направленности излучателя, (имеющего яркостную температуру большую, чем Т₀,) измеряют сигнал радиометра U_отр, 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_пр, а коэффициент отражения R_р(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.

На фиг. 1 представлен первый режим измерений в безэховой (абсолютно черной) камере 1, термодинамическая температура которой равна Т₀, а на оси радиометра 2 на расстоянии L располагается излучатель 3, средняя яркостная температура которого на срезе рупора излучателя равна Т_изл>Т₀, а сам рупор перекрывает телесный угол ΔΩ_изл.

На фиг. 2 происходит зеркальное отражение излучения T_изл от поверхности раздела под углом θ. При этом расстояние от радиометра 2 до мнимого изображения среза излучателя 3' остается равным L.

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_h(θ) рассчитана для поляризации перпендикулярной плоскости падения, a R_v(θ) рассчитана для поляризации параллельной плоскости падения при условии R_v(θ=0)=R_h(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.

Если радиометр находится в безэховой камере, термодинамическая температура которой равна Т₀, то при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры радиометр будет измерять антенную температуру, равную температуре камеры: Т_а,0=Т₀.

При первом режиме измерений на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L располагают излучатель с яркостной температурой Т_изл>Т₀, ось которого направлена прямо навстречу радиометру. При этом на фоне сигнала от абсолютно черной комнаты появится срез антенны излучателя с яркостной температурой Т_изл, который перекрывает телесный угол ΔΩ_изл, фиг. 1. При этом измеряемая радиометром антенная температура изменится:

где Т_а,пр - антенная температура, измеряемая радиометром при прямом освещении излучателем, фиг. 1; G(0,0) - значение нормированной диаграммы направленности антенной системы радиометра в направлении его оси. При этом интеграл по диаграмме направленности антенной системы по всем телесным углам dΩ=dαdβ равен единице.

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_S=T₀, а эффективное расстояние L от радиометра до мнимого изображения излучателя должно быть таким же, как в первом режиме измерений. При этом измеряемая радиометром антенная температура составит величину:

где T_а,отр - антенная температура, измеряемая радиометром при отражении излучения излучателя от поверхности раздела, фиг. 2. Из (1) и (3) для коэффициента отражения получим:

Учитывая линейную связь сигналов радиометра U и антенной температуры Т_а, измеряемой радиометром:

U₀=А+В⋅Т_а,0, U_пр=А+В⋅Т_а,пр, U_отр=А+В⋅Т_а,отр

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.

Примером использования способа может служить измерение диэлектрической проницаемости морской воды при температуре T_S=25° в безэховой камере, имеющей такую же температуру T₀=T_S. Радиометр, работает на частоте 37ГГц и на вертикальной поляризации p=v. Первоначально ось диаграммы направленности радиометра направляют на стены безэховой камеры и регистрируют сигнал U₀, пропорциональный антенной температуре, которая совпадает с температурой камеры Т_а,0=Т₀.

Затем на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L=3м устанавливают излучатель, имеющий яркостную температуру T_изл≥2Т₀, излучение которого, как и радиометр, имеет вертикальную поляризацию p=v в плоскости падения. Измеряют сигнал радиометра U_пр, идущий прямо от излучателя к радиометру, фиг. 1.

На следующем шаге радиометр устанавливают над поверхностью измеряемого вещества - морской воды, которая налита в ванну в безэховой камере, на расстоянии L/2 от центра ванны. Ось радиометра ориентируют под углом падения θ₁=30°, фиг. 2. Излучатель также устанавливают над поверхностью морской воды на расстоянии L/2 от центра ванны под тем же углом θ₁=30°. Плоскости поляризации радиометра и излучателя вертикальны (находятся в плоскости падения). При такой геометрии измеряют сигнал радиометра U_отр(θ₁). Коэффициент отражения R_v(θ₁) вычисляют по формуле:

Например, получаем значение R_v(θ₁=30)=0.4902.

Затем аналогично измеряют сигнал радиометра U_отр(θ₂) при угле падения θ₂=78°, который близок к углу Брюстера, и вычисляют второй коэффициент отражения R_v(θ₂):

Например, получаем значение R_v(θ₂=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

Использование: для измерения комплексной диэлектрической проницаемости вещества. Сущность изобретения заключается в том, что радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения R_p на заданных поляризациях излучения p при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля, при этом измерения проводят в безэховой камере при температуре Т₀, равной температуре измеряемого вещества T_S, измеряют сигнал радиометра U₀ при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра U_пр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо на ось диаграммы направленности излучателя (имеющего яркостную температуру, большую, чем Т₀), измеряют сигнал радиометра U_отр, 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_пр, а коэффициент отражения R_p(θ) вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по указанной формуле, в открытом пространстве путем измерения коэффициентов отражения от поверхности вещества и использования формул Френеля. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения R_p на заданных поляризациях излучения p при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля,

отличающийся тем, что измерения проводят в безэховой камере при температуре Т_0, равной температуре измеряемого вещества T_S, измеряют сигнал радиометра U₀ при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра U_пр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо на ось диаграммы направленности излучателя (имеющего яркостную температуру, большую, чем Т₀), измеряют сигнал радиометра U_отр, 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_пр, а коэффициент отражения R_p(θ) вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по формуле:

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хотя бы 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 хотя бы один коэффициент отражения измеряют на поляризации, лежащей в плоскости падения при угле Брюстера или вблизи угла Брюстера.