Characterization of Radar Backscatter翻译解读

本科毕业设计(论文)
外文资料翻译
外文资料题目Characterization of Radar Backscatter
Response of Sand-Covered Surfaces
at Millimeter-Wave Frequencies
摘要
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由于干沙的介电常数低和沙表面比较粗糙，沙漠的雷达成像会遭受不足的雷达回波低频微波信号。

然而，操作在毫米波段频率，用以矫正这一缺陷的重要雷达回波产生的表面和体积散射。

由于这样的事实,即砂表面粗糙度大，信号穿透到干砂,这是一个空气和砂颗粒尺寸与波长的一小部分的均匀混合物,产生相当大的体积散射。

本文探讨在干砂表面的面积和体积的散射，以奇特的砂表面的物理性能，发现在沙地沙丘覆盖的地区。

提出了一种非相干模型,描述了角依赖体积散射从干砂在存在一维起涟漪的空气/砂表面。

一组室内实验进行平滑和一维起涟漪的砂表面在ka波段证实,大量散射是毫米波频率,该模型正确地捕捉观察角关系当一维表面波纹出现。

关键词：毫米波（MMW）测量雷达体积散射
摘要
摘要
目录i
目录
一、引言 (1)
二、干砂的物理性质的表征 (5)
三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应 (9)
四、实验表征 (17)
五、结论 (23)
附录 (25)
参考文献 (29)
ii目录
一、引言1
一、引言
世界各地的石油和天然气领域的探索，包括地区的特点是干旱或沙漠地区地震试验中经常使用的。

在这些地区，干沙层往往覆盖底层的基岩，并且其厚度变化从一个区域到下一个区域。

在沙层厚度的基石是低的沙区的地震试验通常是成功的。

如果砂层高于基岩的厚度是先验已知的，那么这些测试的成本可以显著降低。

双频干涉合成孔径雷达（SAR）测量（InSAR）已被提议作为一种映射沙层以上的基岩大面积的沙漠和干旱地区的厚度[1][2]的手段。

双频干涉合成孔径雷达的提议包含两个系统：高频和低频InSAR系统，两者都安装在一个平台上。

高频InSAR 技术被用于确定空气/砂界面的高度，而低频InSAR技术被用于确定的砂/基岩界面的高度。

沙层的厚度是在两个高度之间的差。

使用高频InSAR技术（工作在Ku 波段或更高）的前提是返回的雷达后向散射源自空气/砂接口或稍下方的。

高消光率，由于沙粒在这些频率的吸收和散射，限制了高频信号以几厘米的砂土层的穿透深度[3]。

在另一方面，一个低频InSAR技术（工作在非常高的频率（VHF）频带或较低的频率）将看到从空气/砂面（其特征在于作为“电平滑”）和沙粒最小散射（小砂粒的大小信号波长相比）。

此外，低的传播损耗穿透沙层和散射背面从砂/基岩界面允许低频信号。

两个干涉合成孔径雷达系统是在VV极化模式（即发送和接收垂直极化）操作，因为v-偏振信号比用于入射角远离最低点的H偏振信号的空气/砂界面的透射率较高。

差分GPS，陀螺仪，宽带信号处理硬件，数据存储以及在微波和毫米波（MMW）频率的射频硬件操作的最新进展使得高分辨率干涉合成孔径雷达成像在高频率成功演示，如X-波段[4]，Ku波段[5]和Ka波段[6]。

基本上，这些频带中的任何频段都可用于InSAR技术成像。

但是，具体的砂覆盖表面的性质是微波频带中的任意一个工作频率并不一定导致成功成像的砂面。

不像其他的随机介质，如草覆盖面，冰雪覆盖的表面，或林冠干砂表面，由于低介电常数干砂和平滑的空气/沙接口使雷达回波是非常低的。

对于具有低的后向散射系数σo的目标，雷达的发送功率必须增加，以实现所需的最低要求在接收机处的信号—噪声比。

事实上，观察到15％的空隙在得到所产生的C-频带航天飞机雷达地形特派团的干燥的沙漠中差分干涉图像[7]中，这可以归因于在C波段的砂面低σo。

确保重要的雷达检测反应从干砂（即使其最高空气/砂界面光滑的）不同的源
2覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
的散射，即来自表面之下砂颗粒的体积散射可以被利用。

体散射的强度部分是由于砂颗粒的大小相对于信号的波长。

据预期，一个显著的体积散射分量是在毫米波频率，作为本沙粒的大小成为一个显著的工作波长的几分之一。

不幸的是，在沙漠条件下的干砂覆盖面的雷达散射的现象没有得到充分的调查之前，特别是在高频率（X-波段及以后），很少或根本没有在公开文献中测得的数据。

本文的目的是检查影响干砂在毫米波频率的雷达回波信号的响应的散射机制，特别是在Ka频段，由于其技术的成熟性已经被证明为干涉合成孔径雷达操作。

本文作者最近进行了一个双频段（VHF-和Ka波段）的设计分析机载干涉合成孔径雷达系统。

它确定了以确保广域覆盖范围在两个频率，推荐的Ka波段的SAR系统参数如下：
1）中心频率为35千兆赫;
2）最小带宽为300 MHz;
3）线性调频发出脉冲调制持续20-μs的时间;
4） 4 kHz的脉冲重复率;
5）1500 W的峰值功率;
6）接收机系统温度1500 K;
7）整个系统的损耗系数为5 dB;
8）最低30度的入射角;
9）天线仰角波束宽度为30度;
10）0.5×0.5米的沿跨范围。

使用这些参数，在飞机速度为260公里/小时，在海拔7400米以上的地面操作，提供了图像扫描宽度为8.5公里，是能够测量的后向散射系数σo，在低至-30 dB的砂表面的SAR图像（即θmax= 60°）与远端一个10-dB的信噪比。

从干砂体积散射的贡献是高于最小可检测σo= -30分贝消除干涉合成孔径雷达图像中的可能性的空隙，不论砂的表面条件。

在本文中，我们研究的意义从沙子的表面和体散射，根据实际物理性能的沙丘覆盖面。

在第二节中，根据实地考察和来自不同地区的阿拉伯半岛的样品收集，干砂的物理性能被发现。

第三节中描述的适用于砂介质的表面和体积的散射理论模型。

在第四部分，用来描述在Ka频段的干砂的体积后向散射响应的实验装置和测量程序。

最后，所测得的数据与模型预测进行比较。

一、引言3
图1 （a）沙特阿拉伯crescentric沙丘照片（b）展示波纹沙面的特写图片
4覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
二、干砂的物理性质的表征5
二、干砂的物理性质的表征
沙漠覆盖在大片的地球上，例如在撒哈拉沙漠和阿拉伯半岛的沙漠的沙丘领域。

沙丘存在大量的沙粒。

他们可以垂直地延伸数万米，在撒哈拉的一些地方，单个沙丘可能沿水平方向延伸20〜25公里的大面积。

风的速度和方向影响沙丘的形状，常见的形状是月牙形（在地球上最常见的），直线（例如，撒哈拉），圆顶（例如，空季度，SA）[8]。

在最近的一次访问不同地区的沙特阿拉伯，随着粗糙度分布，从沙丘，沙层表面收集样本，从三个不同的网站，覆盖了该国中部和东部地区。

图1中所示的是在沙特阿拉伯东部省的一个典型的月牙形沙丘顶部的空气/沙面的照片。

A.粒度分布和介电常数
近地表沙的样本收集是在沙特阿拉伯的三个不同的地点：1）东部省份;2）Thumamah沙漠中部地区（东北部的首都利雅得）;3）Kharrarah区中部（利雅得以西）。

一般情况下，沙粒球形粒径分别约为0.05至1毫米之间变化的砂岩颗粒。

一堆十筛子和开口介于0.71和0.075毫米用于创建粒子粒径分布不同的沙样品。

图2显示的是Thumamah沙漠（中部地区）沙丘中沙粒的一个典型的粒度分布。

平均粒径也被发现在中部地区的0.20毫米和东部地区的0.25毫米之间变化，体积分数为0.6和0.65之间。

6覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
图2 SA中部地区的Thumamah沙漠的粒度分布
圆筒形空腔谐振器也可用于测量L波段的不同的干砂样品的相对介电常数和介电常数εr。

Alkharrarah，Thumamah和东部地区的5个样品的平均有效介电常数εr分别为（2.71+ i0.017），（2.71+ i0.023），和（2.74+ i0.024）。

测得的介电常数的实部与在公开文献中报告的数据是一致的。

正如预期的那样，介电常数的虚部具有小的值，该值允许在低频率的信号通过沙层传播有小的损耗。

这些损失主要是由于砂颗粒本身的吸收以及与可能对本沙粒产生污染的其他污染物。

在高频率（例如，毫米波频率）中，介质内部由于沙粒的散射会发生额外的传播损耗。

这一问题将在第二部分介绍。

B.强沙面的粗糙度
在塑造沙丘中风起着重要的作用。

它也负责固定沙丘。

一个强大的盛行风能够剥离层顶部的沙丘,一次一层,这些剥落的砂颗粒沉积在其他地方。

砂颗粒移动的三种方法: 对于大颗粒大于500微米的表层塌滑(蠕变), 中型粒子的60~1000微米的跳跃(跳),微小颗粒的1 – 70微米的悬浮。

这三种类型的粒子运动也有助于塑造顶部的空气/沙接口。

特别是，爬行和跳跃运动都是用于形成波纹表面[9]，如图1所示。

根据风况和沙面的曝光，其上方的空气/沙接口可以有褶皱或光滑。

由于风的强度削弱，下降沿砂颗粒倾向于确保生成一个非常光滑的砂面。

在SA每个访问过的网站收集一些表面高度资料[10]。

这个概要文件由细按比例缩小的方格纸生成高分辨率的数码照片的砂面。

应该指出的是，出现大片沙丘表面相当光滑，只有表
二、干砂的物理性质的表征7
面轮廓的波纹表面。

Thumamah沙漠（中央的SA的国家或地区）的一个典型的表面高度分布如图3所示，以及与一个完美的周期性的表面具有相同的振幅和周期[11]。

需要注意的是，该表面上实际的表面平均振幅和周期大约分别为0.006和0.18 m。

这些值是符合风起涟漪的表面全球报道的振幅在0.005和0.01米之间，周期在0.05和0.2米之间。

图3 沙丘表面从Thumamah沙漠和完美的周期性表面与上年同期实际的样品的表面高度分布
之间的比较
表Ⅰ砂表面粗糙度不同的点的参数的平均值
两个数量特征表面粗糙度，标准差高度s和相关长度l，均来自被测表面高度
8覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
轮廓[12]。

S a和l a（下标a表示这些量计算“实际的”表面的高度）为不同的测试位点的平均值列于表Ⅰ。

粗糙度的数据表明在给定时间/季节不同站点之间观察到有大的变化。

众所周知，当表面“电粗糙”，即一个表面的均方根高度s a达到一个显着的部分的工作波长时，表面会产生显着的后向散射返回。

粗糙度参数Ks a（其中k=2π/λ，λ为波长）历来用于推断在给定频率的表面粗糙度[13]。

人们已经注意到，在微波和毫米波频率，从粗糙介质表面的后向散射系数增加作为堪萨斯州增加，饱和堪萨斯州超过3。

此外，光滑的表面被认为是KS<0.5时，略显粗糙是当0.5 <KS<1时，和粗糙是KS> 1时。

在表I中，Ks a和Kl a的平均值，对于不同的站点，指的是在两个雷达频率：10千兆赫（X-波段）和35千兆赫（Ka-波段）。

在10 GHz 光滑或略显粗糙的波纹沙子表面，这意味着低雷达回波，但这些表面在35 GHz可以是相当粗糙。

三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应9
三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应
各向同性的均匀随机介质，诸如干砂的后向散射系数的σo，可以主要归因于两个散射过程：1）从空气/砂界面的表面散射，2）的体散射随机介质内的沙粒。

表面散射是有效沙介质的介电常数和表面粗糙度的函数，而体积散射是粒子形状，粒径分布，体积分数和粒子的介电常数的函数。

如前所述，“电”顶部光滑沙面在大片沙风条件下，可能会导致在一个给定的沙漠。

在这种情况下，从砂表面的雷达后向散射响应是微不足道的，即使要使用的干涉合成孔径雷达的雷达工作在很高的微波或毫米波的频率。

从下面的空气/砂界面的沙粒量散射可能具有足够的强度，以补偿表面散射的缺乏，尤其是当砂颗粒的大小是一个重要的部分工作波长。

波及砂表面的一维的周期性质，可能会导致依赖于雷达看起来相对于表面的行方向的方向（由入射和方位角定义）的主要表面的后向散射响应。

由于当地的入射角沿表面发生变化，一维的波纹表面的存在也可以影响体积散射分量的后向散射响应。

在本节中，将要讨论一维的表面和体积的散射模型波及砂面。

A、表面散射分量
风影响的干砂表面往往有一维周期或波及空气/沙面。

古典表面散射模型，如物理光学（PO），几何光学（GO），小扰动，积分方程方法，以及一些半经验模型，主要是发达国家的二维随机表面，而不是一维周期性的表面。

另一方面，一维波及砂面不完全是周期性的，从图3中可以清楚地推断出。

它可以被看作是由叠加在一个一维周期分量的二维随机分量的复合表面。

认识到这一点，本文周期的表面被认为是一个不连贯的表面散射模型的随机扰动。

该模型表明合理的成功预测了在微波频率测量的一维刚刚开垦土壤表面的反向散射系数[14]。

它假定表面由两部分组成：一个随机波动成分（小规模的粗糙度）上叠加一个完美的周期分量（大规模粗糙度）。

假设这两个组件是统计独立的，然后从复合材料的表面上的总的后向散射响应此外，从随机的表面部分，由当地的倾斜角度，由于周期性表面组分调制的后向散射系数是不连贯的。

考虑是一维周期的表面上，如图4所示，其高度为Z（x，y）=-h cos(2πy/ L)，其中L是表面周期。

然后，对于一个给定的偏振组合ij(=v or h)，总的后向散射系数σo ij可以表示为
10覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
σo ij(θ,φ)=(1)
其中是小规模的计算出的表面粗糙度在当地的入射角θ的后向散射系数，
β(y)是该角度的正切表面z(x,y)的斜率
tan(β(y))==sin()
图4图描绘了雷达指向一维的波纹表面在一个给定的发生率θ和方位角φ的角度,当φ=0°时,
该雷达指向平行于波纹
表II 不同的考点随机成分砂表面的粗糙度参数的平均值
选择适当的表面散射模型（PO，GO等）计算，例如，为小规模的表面部
分的粗糙度参数是在选定的表面散射模型的有效性标准[15]。

另一个相干模型利用基尔霍夫近似也发生类似预测和生产的不连贯的模型。

本节中的非相干模型将被
三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应11
用于预测波及砂表面的后向散射响应。

非相干表面散射模型需要周期表面的完美的周期分量的振幅和周期的随机表面部分的粗糙度统计的知识。

从上一节中所报道的测量随机表面部分的检索粗糙度统计，这两个表面成分首先需要分离。

这可以更好地通过在频谱域滤波来实现。

应用快速傅立叶变换（FFT）的测得的表面的高度轮廓，随后过滤/分离的两个组成部分，然后应用快速傅立叶逆变换（IFFT），另外的两个组件，每个组件的高度轮廓可以被检索。

表II中列出s s和l s的平均值为随机组件不同在沙特阿拉伯访问点（即小规模粗糙度）随着平均参数ks s和kl s，在10和35 GHz的计算。

注意，下标s这里指的是小规模的粗糙度。

正如所料，随机表面的组件，其特征在于作为表面粗糙度小规模，大大降低了s s和l s的值，导致在两个频率中的一个较小的值的连络。

图5 模拟波及沙面后向散射系数σo vv（Thumamah＃1个网站在表二中列出）为入射角θ的函数,用该模型在35GHz的不同的方位角φ进行了模拟,对于该表面，PO模型被用来模拟小规模
的粗糙度成分
12覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
图6 模拟波纹沙面后向散射系数σo vv是方位角φ的函数,用该模型在35 GHz干燥条件下的不同入射角θ进行了模拟,对于该表面，PO模型被用来模拟小规模的粗糙度成分
非相干的表面散射模型被用来预测预期的后向散射系数σo vv粗糙的波纹沙丘表面，即观察上面的Thumamah沙漠表面，其表面的高度轮廓示于图3，s a =4.6毫米，l a= 35.5毫米，s s= 0.68毫米，l s=7.63毫米，和一段0.18米。

在35 GHz（λ= 8.7毫米），小规模的表面粗糙度参数满足有效性标准的PO模型，即kl s> 6，Rc>λ（Rc 为曲率半径），m <0.25（其中m是表面平均坡度）。

模拟的反向散射响应的波纹表面σo vv如图5所示，是不同的方位角φ的入射角θ的函数。

方位角φ=0°和φ=90°的参考雷达雷达指出平行和垂直的一维周期性表面分别配置。

除了σo vv随着迎角的增加而急剧下降,模型还预测显著依赖方位角,最大雷达回波发生,在任何给定的入射角度,当雷达是指垂直于表面周期(即。

,当φ= 90◦)。

图6所示为方位角依赖关系干燥的表面上两个入射角θ= 5◦θ= 45◦。

此外，三分之一的情节是包括在图6，以证明预期的后向散射响应在θ=45度时表面是湿的（在19％体积的水分含量，从而导致介电常数εr= 5.9+ i3.5）。

在该图中，在较高的入射角（2 - 和6分贝变化观察到更强的分别依赖于方位角θ=5度和θ= 45°时）。

此外，该模型预测比较干燥的情况时，同比增长约9分贝在湿砂表面的雷达回波。

该模型预测，当θ=45◦中，该表面的σo vv的是-36 dB，这是6 dB比预想的Ka波段InSAR系统一节中描述所需的σo 低。

在大多数实际情况下，当雷达寻找垂直的波纹，或当表面更平滑（如在中欧
三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应13
或东欧地区沙特阿拉伯的沙漠），从表面散射的贡献太低，即使在检测Ka波段频率。

B、体积散射分量
由于其散射体的体积分数超过总体积0.01（干砂的实际体积分数为0.6〜0.65）, A层的干砂颗粒被确定为致密的随机介质。

如玻恩近似和致密介质辐射传输（DMRT）定理理论模型已经从密集的随机介质发展到模型体积散射。

在玻恩近似中，假设介电常数的变动成分的方差比平均介电常数要小的多。

砂不满足此条件，在一般情况下，因为空气εa= 1和沙粒εs=4.0的介电常数之间的巨大差异。

在发展的DMRT中，假设散射体相比于波长比较小（瑞利颗粒），假定介质致密的体积分数为> 0.1，以及从每一个粒子的散射场被假定为统计学依赖于附近的其他颗粒。

DMRT方程在已知的使用建模稀薄介质的常规辐射传输（CRT）的方程在结构上是相同的。

因此，使用离散坐标中详细描述的特征分析方法，它可以数值求解。

DMRT已成功应用于体积分数<0.4，如冰雪覆盖的表面，在微波频率密集的媒体。

在本文中，DMRT[16]用于计算雷达后向散射响应干砂[17]。

据研究，DMRT显着低估时，干砂的干沙层光滑的空气/沙接口将测量数据相比雷达响应[18]。

这可以部分归因于一个事实，即沙粒相比于波长不再是比较小的。

图7沙层建模为平面平行随机介质
基于在CRT理论[19]，本文讨论不同的模型。

这是第一次开发的建模毫米波雷达散射雪。

在此模型中的沙层被建模为平行平面的散射介质与光滑的顶部和底部的接口，如图7所示。

散射层覆盖半无限的非散射的已知介电常数的电介质。

建
14覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
议的CRT模型使用Mie理论计算出的相位函数，假设散射粒子球体嵌入在背景介质，其介电常数的随机介质的有效介电常数。

它也使用的准晶近似（QCA）来计算出有效介电常数和砂土层内的平均吸光率。

该模型是一个用于估计几个分贝内的沙子的体积后向散射响应的真正价值的很好的工具。

这部分原因是由于在确定实际的物理和电气参数，如沙颗粒大小和介电常数的不确定性。

另一个原因是QCA 使用计算的消光率。

QCA模型预测的消光率[20]，在高密度的随机介质时，介质的体积分数在0.1和0.3之间。

然而，在更高的体积分数，例如在干砂的情况下，QCA 高估在介质中的消光率。

据预计，模拟的后向散射系数使用CRT-QCA模型[21]是略低于其真实值。

正如前面提到的，一个沙丘最佳的空气/砂接口可以是光滑的或一维波纹。

对于光滑界面的情况下，在阴极射线管的平面平行介质（如图7所示）的溶液中，可以使用估计的体积反向散射响应。

另一方面，具有一维，脉动空气/砂面需要被修改以考虑周期性表面的边界条件的解决方案的CRT。

幸运的是，由于实际的周期的1-D波纹表面远大于工作波长在高频率（例如，L =0.18 m>>λ=0.0087m在35 GHz），一个简单的解决方案可以被考虑，由此，体积散射任何给定的点的随机介质内管由当地的入射角在空气/砂界面。

在这个解决方案中，体积散射响应，从不同的点沿一维的周期性表面出现被认为是统计独立的，并可以非相干加入。

这里提出的数学表达式（1）中，它被用来计算复合材料的表面上的后向散射系数，计
算的体积的一维的干沙层的后向散射系数的波纹表面。

在应用公式时，(θ)（按
小规模的表面散射分量）被所取代，使用CRT光滑砂在本地入射角θ计算。

三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应15
图8 干砂的体积后向散射系数之间的模拟比较用三个不同的表面,作为方位角的函数绘制（a）θ=45°及（b）θ=70度,考虑的表面是光滑的表面,弱波纹表面＃1度（h =0.005 m和L =0.18m）,强波纹表面＃2度（h =0.01 m和L =0.10m）,在35 GHz使用CRT模型的Thumamah沙漠中进
行模拟
16覆沙面在毫米波频率雷达后向散射响应表征
为了从干砂的表面上展示一维的影响波及体积散射，两个不同周期的表面进行了审议。

第一周期的表面（＃1）是弱的波纹表面的一个例子[22]。

它的振幅和周期与报告的Thumamah沙漠表面是相同的，即，h =0.005 m和L =0.18m。

第二表面（＃2）是强烈的波纹表面具有大振幅h =0.01 m和一个短的周期L=0.10m的一个例子。

沙漠型Thumamah沙在35 GHz使用CRT模型进行数值模拟。

输入到CRT 模型包括的粒度分布（图2中所示），沙粒的介电常数（为εp=4.0712+ i0.0445），体积分数（设置为0.65）。

砂颗粒的介电常数是来自于干砂在L波段中使用的双组分混合配方的测得的有效介电常数。

VV激化体积后向散射干沙为以下三个不同的空气/沙接口以方位角φ的函数绘制在图8中：1）平滑;2）一维周期性表面＃1，3）一维周期性表面＃2。

虽然节偏振的具有光滑表面的砂磨介质的后向散射系数的方位角是独立的，它被包括在图8为了比较雷达回波的水平距离一维波纹表面具有光滑的表面[23]。

据观察，在低入射角[例如，入射角度θ=45°，如图8（a）所示]，一维波纹表面上的预期的体散射的贡献有很少或没有影响，即使当表面被强烈脉动。

然而，在高入射角[例如，入射角度θ=70°，如图8（b）所示]，一维波纹表面就可以有一个显着的体积后向散射系数的影响。

高达1 - 和5 - 分贝的后向散射系数的变化时，观察到的方位角介于0°和90°分别为弱、强烈波纹表面。

该图清楚地表明[24]，从干砂的体积散射高于-30分贝的最小可检测σo min为第I节中所述的设想的Ka-波段InSAR系统。

请注意，建议Ka波段InSAR系统预计映射沙面的高度入射角在θmin=30°和θmax=60°之间。

对于大多数的情况下，在沙面相对平坦，一维的影响波及表面后向散射响应是微不足道的。

但是，如果进行了干涉合成孔径雷达测绘沙丘，其中最佳的空气/砂面相差的干涉合成孔径雷达的观察方向可以倾斜，然后在砂表面的本地入射角可能会显着地超过60°。

在这种情况下，后向散射系数的值的砂可能会变得小于CRT模型预测的假设光滑砂界面。