基于透波機(jī)制的有耗媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及時(shí)域電磁波信號(hào)在有耗媒質(zhì)中的傳播特性和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具體是指 一種基于透波機(jī)制的有耗媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)非金屬材料相對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量主要采用的是短路波導(dǎo)法或同軸 線法。這類方法具有理論清晰、測(cè)試精度高、操作方便等特點(diǎn)。但是短路波導(dǎo)法和同軸線 法要求對(duì)不同的頻段預(yù)先制作專門(mén)的測(cè)試試片，所述的測(cè)試試片的寬度和高度又必須要與 規(guī)定的測(cè)試頻率所選用的波導(dǎo)內(nèi)截面的尺寸相吻合，這給實(shí)際加工和測(cè)試帶來(lái)了較大的困 難。
[0003] 比如，在短路波導(dǎo)法中測(cè)試試片的長(zhǎng)度選為四分之一介質(zhì)波導(dǎo)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。顯 然，該方法在材料寬帶介電常數(shù)測(cè)試時(shí)要制作很多的加工試片，浪費(fèi)較多的材料和人工成 本，測(cè)試效率較低。特別是針對(duì)低頻段材料介電常數(shù)的測(cè)量需要很大的試片尺寸，這在一般 設(shè)計(jì)中往往無(wú)法達(dá)到，造成在波導(dǎo)端口和同軸線在與試片的配合時(shí)存在較大的間隙，極大 的影響了測(cè)試精度。
[0004] 現(xiàn)階段在軍用目標(biāo)材料的低頻反隱身技術(shù)、民用雷達(dá)的低頻段通信都有介質(zhì)材料 對(duì)低頻段電磁波性能的常數(shù)特性需求，開(kāi)展低頻段有耗媒質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的寬頻段測(cè)量具 有重要的軍事需求和民用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于透波機(jī)制的有耗媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方法，利用 時(shí)域窄脈沖信號(hào)在有耗媒質(zhì)中傳播時(shí)，其相位差和幅度比與媒質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)具有一一對(duì) 應(yīng)的關(guān)系，結(jié)合仿真建模測(cè)量得到有耗媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，有效提高測(cè)量精度，并降低測(cè) 量成本。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所提供的基于透波機(jī)制的有耗媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方 法，包含以下步驟：
[0007] S1、測(cè)量由發(fā)射天線空間直線傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)；
[0008] S2、在發(fā)射天線和接收天線之間放置待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)，測(cè)量由發(fā)射天線通過(guò)待測(cè)目 標(biāo)媒質(zhì)直線傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)；
[0009] S3、將在放置待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)前后兩次測(cè)量得到的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)變換到頻域 上，得到相位差和幅度比隨頻率的變化曲線；
[0010] S4、仿真建模，計(jì)算出因加入待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)而引起的相位差和幅度比隨媒質(zhì)介電 常數(shù)的變化曲線；
[0011] S5、根據(jù)S3中經(jīng)測(cè)量得到的相位差和幅度比隨頻率的變化曲線，以及S4中經(jīng)仿真 得到的相位差和幅度比隨媒質(zhì)介電常數(shù)的變化曲線，對(duì)比得到待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的相對(duì)介電常 數(shù)。
[0012] 所述的si中，具體包含以下步驟：將發(fā)射天線和接收天線架設(shè)在距離地面相同高 度的空間位置上，測(cè)量由發(fā)射天線空間直線傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)，并由 實(shí)時(shí)示波器顯示。
[0013] 所述的S2中，具體包含以下步驟：將待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)放置在發(fā)射天線和接收天線之 間的中點(diǎn)位置，且該待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的中心點(diǎn)與發(fā)射天線、接收天線的中心點(diǎn)位于同一高度； 測(cè)量由發(fā)射天線通過(guò)待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)，并由實(shí)時(shí)示波 器顯示。
[0014] 所述的S3中，具體包含以下步驟：
[0015] S31、通過(guò)添加時(shí)間窗r函數(shù)對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間空間直線傳播的時(shí)域電 磁波響應(yīng)信號(hào)和通過(guò)待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)直線傳播的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理；
[0016] S32、對(duì)在放置待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)前后兩次測(cè)量得到的去噪后的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào) 進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域電磁波信號(hào)變換到頻域上，分別取對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)上的幅度比和相位差， 得到相位差和幅度比隨頻率的變化曲線。
[0017]所述的S31中，時(shí)間窗r函數(shù)為：
[0018]
[0019] 其中，t為時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)的時(shí)間寬度，、為時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)第一個(gè)波 形開(kāi)始的時(shí)刻位置。
[0020] 所述的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)的時(shí)間寬度t需要滿足：
[0022] 其中，R表示發(fā)射天線和接收天線之間的距離，表示發(fā)射天線和接收天線的中 心點(diǎn)距離地面的高度，c表示電磁波信號(hào)的傳播速度。
[0023] 所述的S4中，具體包含以下步驟：
[0024] S41、根據(jù)發(fā)射天線和接收天線的空間距離、位置關(guān)系、天線尺寸以及待測(cè)目標(biāo)媒 質(zhì)的尺寸，進(jìn)行仿真建模；
[0025] S42、選擇指定的頻率點(diǎn)，通過(guò)改變?cè)谠擃l率點(diǎn)上待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)材料塊的相對(duì)介電 常數(shù)，得到接收天線位置處的相位差隨待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的變化曲線；
[0026] S43、在相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部固定的情況下，通過(guò)仿真得到接收天線位置處的幅度比 隨相對(duì)介電常數(shù)的虛部的變化曲線。
[0027] 所述的S5中，具體包含以下步驟：
[0028] S51、根據(jù)S3中經(jīng)測(cè)量得到的相位差隨頻率的變化曲線，以及S42中經(jīng)仿真得到的 相位差隨媒質(zhì)介電常數(shù)實(shí)部的變化曲線，對(duì)比得到待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部數(shù) 據(jù)；
[0029] S52、根據(jù)S3中經(jīng)測(cè)量得到的幅度比隨頻率的變化曲線，以及S43中經(jīng)仿真得到的 幅度比隨媒質(zhì)介電常數(shù)虛部的變化曲線，在待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)材料塊的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部確定 的情況下，對(duì)比得到待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的虛部數(shù)據(jù)；
[0030] S53、結(jié)合S51中得到的待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部數(shù)據(jù)，以及S52中得 到的待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的虛部數(shù)據(jù)，從而得到待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于透波機(jī)制的有耗媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方法， 具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：（1)無(wú)需加工專門(mén)的測(cè)量試片，可直接對(duì)大尺寸媒質(zhì)材料展開(kāi) 測(cè)量，測(cè)量設(shè)備易攜帶、數(shù)據(jù)方便處理；（2) -次測(cè)量中可以獲得寬頻段的媒質(zhì)材料的相對(duì) 介電常數(shù)，測(cè)試效率高，特別是具有瞬態(tài)測(cè)試能力，對(duì)測(cè)試環(huán)境要求低，可極大的節(jié)省測(cè)量 成本；（3)可實(shí)現(xiàn)低頻段內(nèi)媒質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量，通過(guò)邊緣校正和建模手段，可 極大的提高測(cè)量精度；(4)測(cè)量得到是材料整體電磁常數(shù)特性，不會(huì)因大尺寸材料的加工、 混合等問(wèn)題帶來(lái)測(cè)試結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的誤差。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為本發(fā)明中的基于透波機(jī)制的有耗媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方法的流程圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明中的時(shí)域超寬帶介電常數(shù)的測(cè)量模型；
[0034]圖3為本發(fā)明中的發(fā)射天線和接收天線之間空間直線傳播的時(shí)域電磁波響應(yīng)信 號(hào)和地面一次反射的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)的對(duì)比圖；
[0035] 圖4為本發(fā)明中的80MHz~380MHz的頻域范圍內(nèi)的相位差和幅度比的數(shù)據(jù)曲線；
[0036] 圖5A和圖5B分別為本發(fā)明中的在110MHz和330MHz這兩個(gè)指定頻率點(diǎn)上，通過(guò) 仿真得到的接收天線位置處的相位差隨待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部的變化曲線；
[0037] 圖6A和圖6B分別為本發(fā)明中的在110MHz和330MHz這兩個(gè)指定頻率點(diǎn)上，通過(guò) 仿真得到的接收天線位置處的幅度比隨相對(duì)介電常數(shù)的虛部的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
[0039] 如圖1所示，為本發(fā)明提供的基于透波機(jī)制的有耗媒質(zhì)介電常數(shù)的測(cè)量方法，其 針對(duì)有耗媒質(zhì)低頻超寬帶相對(duì)介電常數(shù)的需求開(kāi)展大尺寸目標(biāo)低頻段測(cè)量，根據(jù)測(cè)量得到 的時(shí)域信號(hào)，利用加時(shí)間窗去噪的方式同時(shí)結(jié)合精確建模仿真手段給出高精度的目標(biāo)相對(duì) 介電常數(shù)；本方法包含以下步驟：
[0040] S1、測(cè)量由發(fā)射天線空間直線傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)；
[0041] S2、不改變?nèi)魏苇h(huán)境，在發(fā)射天線和接收天線之間放置待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)，測(cè)量此時(shí)由 發(fā)射天線通過(guò)待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)直線傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)；
[0042] S3、將在放置待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)前后兩次測(cè)量得到的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)變換到頻域 上，得到相位差和幅度比隨頻率的變化曲線；
[0043] S4、仿真建模，計(jì)算出因加入待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)而引起的相位差和幅度比隨媒質(zhì)介電 常數(shù)的變化曲線；
[0044] S5、根據(jù)S3中經(jīng)測(cè)量得到的相位差和幅度比隨頻率的變化曲線，以及S4中經(jīng)仿真 得到的相位差和幅度比隨媒質(zhì)介電常數(shù)的變化曲線，對(duì)比得到待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的相對(duì)介電常 數(shù)。
[0045] 所述的S1中，具體包含以下步驟：將發(fā)射天線和接收天線架設(shè)在距離地面相同高 度的空間位置上，在確定的空間位置、儀器常數(shù)、時(shí)域激勵(lì)波形等固定形態(tài)下，測(cè)量由發(fā)射 天線空間直線傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)，并由實(shí)時(shí)示波器顯示。在架設(shè)發(fā)射 天線和接收天線時(shí)，可以通過(guò)采用泡沫支架的方式，或者采用提高架設(shè)位置的方式，來(lái)盡可 能的降低地面發(fā)射信號(hào)的影響。
[0046] 所述的S2中，具體包含以下步驟：如圖2所示，將待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)放置在發(fā)射天線和 接收天線之間的中點(diǎn)位置，且該待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的中心點(diǎn)與發(fā)射天線、接收天線的中心點(diǎn)位 于同一高度；測(cè)量由發(fā)射天線通過(guò)待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)傳播至接收天線的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)， 并由實(shí)時(shí)示波器顯示。
[0047] 所述的S3中，具體包含以下步驟：
[0048] S31、通過(guò)添加時(shí)間窗r函數(shù)對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間空間直線傳播的時(shí)域電 磁波響應(yīng)信號(hào)和通過(guò)待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)直線傳播的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理；如圖3 所示，為前后兩次測(cè)量得到的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)的對(duì)比示意圖，其中實(shí)線表示發(fā)射天線 和接收天線之間的空間直線傳播的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)，而虛線則表示在發(fā)射天線和接收 天線之間放置了待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)之后，通過(guò)待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)直線傳播的時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)。
[0049] 本實(shí)施例中，時(shí)間窗r函數(shù)的選擇是為了選取時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)直接通過(guò)有 耗待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)的部分，一般而言，選取一個(gè)信號(hào)波形就足夠了。此處，選取的時(shí)間窗r函 數(shù)為：
[0050]
[0051]其中，t為時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)的時(shí)間寬度，也表示時(shí)間窗r函數(shù)的寬度，tQ為 時(shí)域電磁波響應(yīng)信號(hào)第一個(gè)波形開(kāi)始的時(shí)刻位置。
[0052] 進(jìn)一步，在發(fā)射天線和接收天線之間放置了待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)材料塊之后，發(fā)射天線 所發(fā)射的電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)地面一次反射到達(dá)接收天線與通過(guò)待測(cè)目標(biāo)媒質(zhì)材料塊直線到 達(dá)接收天線的時(shí)間差為：
，其中，R表示發(fā)射天線和接收天線 之間的距離，表示發(fā)射天線和接收天線的中心點(diǎn)距離地面的高度，c表示電磁波信號(hào)的 傳播速度。
[0053] 本實(shí)施例中，發(fā)射天線和接收天線之間的距離設(shè)置為0. 63m，發(fā)射天線和接收天線 的中心點(diǎn)距離地面的高度設(shè)置為