植被复介电常数的测量与模型构建

(4)
式中的常数 Ci, C0, B, A 都可以通过校准获得. 因此, 已知导纳 Y0, 通过测量 的幅度和相位可以获得 YL, 从而由公式(4)进一步确定被测介质的复介电常数. 研究采用 Agilent PNA-E8362B 微波网络分析仪, 辅以 85070E 探头工具包进行测量, 测量频率范围为 0.2~20 GHz. 仪器测量精度 , 实部为绝对值的 ±5%, 损耗角('/")为±0.05(Agilent, 2003). 矢量网络分析仪 E8362B 内具有信号发射源和接 收器 , 通过仪器内部的信号源发射不同频率的电磁 波 , 经由传输线及探头传到探头与被测物质接触的 表面. 通过电磁波与被测物质的相互作用之后, 一部 分电磁波能量被损耗, 另一部分能量被反射, 用反射
(3)
1.2.3
植被复介电常数测量方法
其中, C()为电容, 代表探头顶部周围介质集中的 边缘场 ; G() 为电导 , 代表进入介质中的辐射场 . 假设被测介质的磁导率 , 则被测介质总的探头 输入导纳可以表示为(El-Rayes 等, 1987)
YL ( , ) jCi jC0 jB 3 2 A 4 2.5 ,
中国科学: 地球科学 www.scichina.com 论 文
2014 年
第 44 卷
第 3 期: 519 ~ 530
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
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植被复介电常数的测量与模型构建
李震 , 曾江源
① ①② *
, 陈权 , 毕海芸
①
①②
① 中国科学院遥感与数字地球研究所, 数字地球重点实验室, 北京 100094; ② 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049 * 联系人, E-mail: jyzeng@ceode.ac.cn 收稿日期: 2013-03-07; 接受日期: 2013-08-27; 网络版发表日期: 2014-01-26 国家高新技术研究发展计划(编号: 2011AA120403)、国家重点基础研究发展计划(编号: 2010CB951403)和国家自然科学基金项目(批准号 : 41101391)资助
李震等: 植被复介电常数的测量与模型构建
反射系数进而计算出被测介质的复介电常数 . 目前 , 国内外对植被进行复介电常数测量应用最广泛的方 法主要为同轴线探针法(El-Rayes 等, 1987; Ulaby 等, 1987; Nelson 等, 1994; Colpitts 等, 1997; Kabir 等, 1997; 康世峰等, 1997; Franchois 等, 1998; Olmi 等, 2000; Afzal 等, 2003; Shrestha 等, 2007)和波导传输/ 反射法(Ulaby 等, 1984; Sarabandi 等, 1988; Chung, 2007). 波导传输 /反射法的缺陷在于样品的制备非常 繁琐(Franchois 等, 1998), 该方法要求待测的材料样 品与波导的横向尺寸紧密配合 , 这给实际加工和测 量带来了困难 . 若所测的样品与同轴线或波导的配 合存在间隙 , 则会给测量带来较大的误差 ( 贾明权 , 2008). 同轴线探针法最大的优势在于能在较大的频 率范围内进行测量并且对被测材料不产生任何的破 坏(Afzal 等, 2003). 此外, El-Rayes 等(1987)在同时使 用了波导传输 /反射法和同轴线探针法对植被材料进 行介电测量后指出 , 对于宽频率植被材料的介电测 量 , 同轴线探针法与波导传输 / 反射法相比 , 更加准 确、方便同时更节约时间. 本研究选择我国黑河生态水文遥感试验的重点 研究区域张掖市进行植被样本的采集 , 主要植被样 本有玉米叶、青笋叶、土豆叶、苹果梨叶、冬苹果叶 及青白杨树叶总计 6 大类. 然后选择同轴线探针法, 利用矢量网络分析仪 E8362B 在 0.2~20 GHz 范围内 对上述样本进行相对复介电常数的测量 . 其中重点 针对玉米叶 , 建立了微波传感器常用频点下玉米叶
摘要
目标的复介电常数是影响微波辐射和散射特性的重要因素. 在植被定量化的应用研
究中, 建立植被具体物理参数与复介电常数之间关系的植被介电特性研究是微波遥感技术发 展的基础工作. 本研究选择我国黑河生态水文遥感试验的重点研究区域张掖市进行了 6 大类 植被样本的采集, 并结合矢量网络分析仪 E8362B, 利用同轴线探针法在 0.2~20 GHz 范围内对 样本进行了复介电常数的测量, 其中重点针对玉米叶, 建立了微波传感器常用频点下其重量 含水量与其复介电常数实部和虚部之间的经验模型. 最后利用河北省怀来县采集的实测数据 对建立的经验模型和经典的 Debye-Cole 模型进行了验证和对比. 结果表明, 该经验模型在精 度上优于传统的 Debye-Cole 模型, 并且具有良好的实用性.
YL (, ) Yi ( ) Yg ( , ),
(2)
其中 , Yi()=jCi 代表边缘场的边缘电容 Ci 对应的 “内导纳 ”; Yg 为 “外导纳 ”, 它是角频率 和被测材料 的复介电常数的函数, 表示为
Yg ( , ) jC ( , ) G( , ),
中文引用格式: 英文引用格式:
李震, 曾江源, 陈权, 等. 2014. 植被复介电常数的测量与模型构建. 中国科学: 地球科学, 44: 519–530 Li Z, Zeng J Y, Chen Q, et al. 2014. The measurement and model construction of complex permittivity of vegetation. Science China: Earth Sciences, 57: 729–740, doi: 10.1007/s11430-013-4691-5
1.2 1.2.1
测量原理与方法 原理
测量选择的方法为同轴线探针法 . 同轴线探针 法的测量原理和计算公式是以传输线理论和方程为
图1 520
不同种类和高度的玉米
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2014 年
第 44 卷
第3期
基础的. 其基本原理为: 以同轴线、同轴线探头和被 测样品为传输线 , 假定被测样品长度和损耗正切足 够大, 从而使被测样品模拟为无限长样品, 其电磁波 经过样品的传输衰减完毕 , 根据传输线方程和边界 条件 , 矢量网络分析仪可以测得同轴探头端面即被 测样品表面的反射系数 , 通过软件进行数据处理和 计算就可以得到被测样品的复介电常数 . 假定被测 样品均匀 , 那么所测得的样品局部复介电常数即为 样品区整体的复介电常数(赵艳丽, 2009). 矢量网络分析仪测得的同轴探头端面即样品接 触面的反射系数的表达式为(El-Rayes 等, 1987)
关键词 微波遥感 介电模型 复介电常数 玉米叶 同轴线探针法
微波遥感接收到的微波信号与被测物体的复介 电常数密切相关. 因此, 建立探测目标具体物理参数 与复介电常数之间的关系是微波遥感技术发展的基 础性工作 , 也是从微波遥感数据中获取地表定量化 信息的关键 (施建成等 , 2012). 植被的介电属性在耦 合植被冠层的电磁特性和它的物理特性之间起着重 要的作用; 植被的复介电常数、植被的形状、以及植 被的朝向等各个元素共同决定着植被冠层的散射和 发射情况(El-Rayes 等, 1987). 介质相对复介电常数的测量方法主要有集总电 路法、谐振腔法、自由空间法、波导传输 /反射法以 及同轴线探针法(Venkatesh 等, 2005). 其中, 集总电 路法(Huang 等, 2008)因为只适合低频率和高损耗材
( Z L Z 0 ) (Y0 YL ) , ( Z L Z 0 ) (Y0 YL )
Baidu Nhomakorabea
系数表示 , 通过传输线传送回来被仪器的接收器记 录. 最后, 85070E 软件把反射系数转换成复介电常数 的实部和虚部并在仪器上显示(李丽英等, 2007).
1.2.2
仪器校准

(1)
其中, Y=1/Z, ZL 为负载阻抗, 它的大小与所接触或插 入的被测样品的复介电常数及探头端面的几何尺寸 有关; Z0 表示传输线特性阻抗. 当探头接触或置于电 厚度等效为无穷大的均匀介质中时 , 传输线终端导 纳 YL()可以表示为
重量含水量与其复介电常数实部和虚部之间的经验 模型 . 最后利用河北省怀来县遥感综合试验站及其 周 边 采 集 的实 测 数 据 对建 立 的 经 验模 型 和 经 典 的 Debye-Cole 模型进行了验证和对比.
1
1.1
样本采集与测量方法
样本的采集与制备
植被样本的采集地点选择为甘肃省张掖市 . 张 掖市位居全国第二大内陆河黑河中上游 , 河西走廊 腹地, 因为有黑河水流灌溉, 且地势平坦, 土壤肥沃, 所以张掖市农作物种类丰富 , 尤其以玉米产量最高 . 2012 年张掖市杂交玉米制种产量占全国用种量的 40%, 是我国最大的杂交玉米种子繁育基地 (http:// www.lzny.com/Article/news_view.asp?newsid=16569). 采集的植被样本主要有玉米叶、 青笋叶、 土豆叶、 苹果梨叶、冬苹果叶及青白杨树叶 6 类品种. 尤其针 对玉米叶 , 进行了不同玉米种类和玉米高度的样本 采样, 高度覆盖面从 0.95 m 到 2.05 m, 如图 1 所示. 样本采集后为防止其物理特性发生改变 , 当日送达 实验室进行介电特性测量.
因为同轴线探针法假设样本为无限厚 (康世峰等 , 1997), 为了获得测量时样本厚度的阈值 , 研究选用 对电磁波能量损耗很慢的白色铜版纸进行实验 . 植 被相比于白色铜版纸能量损耗更快 , 因此电磁波在 白色铜版纸中能穿透的深度比植被要大 , 所以利用 白色铜版纸得出的厚度阈值对于植被样本来说是适 用的(Shrestha 等, 2007). 在实验过程中 , 测量白色铜版纸复介电常数的 实部与虚部, 并选择两种介电特性反差较大的材 料—铜板和聚四氟乙烯板 , 分别放置于白色铜版 纸下并慢慢增加纸的厚度 , 当两种背景材料对测量 结果无影响时 , 此时的铜版纸厚度即为植被样本厚 度选择的阈值. 如图 3 所示, 以 f=1.0 GHz 为例, 当白 色铜版纸数量达到 7 张即厚度为 1.4 mm 时, 聚四氟 乙烯板和铜板就对铜版纸的复介电常数虚部没有影 响, 而观察实部的对比结果, 铜版纸纸张数量需要达 到 15 张即厚度为 3 mm 时, 两种背景材料的影响才可 以忽略不计 . 这是因为对于不同的介质 ( 如本文中的
料 , 现 在 已 经 很 少 使 用 . 谐 振 腔 法 (L i 等 , 2009; Navarrete 等, 2011)通过测量目标介质放入谐振腔前 后的谐振频率和品质因数来计算目标介质的复介电 常数, 该方法对于低损耗介质测量的精度较高, 但此 方法只能在一个频率下进行 , 不能进行宽频段测量 , 具有很大的局限性 . 自由空间法 (Hasar, 2009a) 可以 在不破坏测量对象的前提下进行宽频带测量 , 测量 方法简单易实现 , 但由于电磁波在自由空间中受到 的干扰因素较多 , 因此测量精度并不高 . 波导传输 / 反射法(Hasar 等, 2009b)的基本原理为利用填充介质 的传输线传输反射特性, 即 S 参数, 反演得到介质的 电磁特性. 同轴线探针法(Boybay 等, 2011; Bobowski 等 , 2012) 则是通过测量同轴探头端口处被测介质的
矢量网络分析仪的仪器校准总共分为 3 步: 首先 将高温探头暴露于空气中进行空气校准 , 然后用仪 器自带的短路器对探头进行短路校准 , 最后用去离 子水对探头进行校准. 校准完后, 先对已知复介电常数的物质如空气、 去离子水和甲醇等进行验证性测量 , 待测量结果准 确后再进行实际样品的测量 , 否则重新对仪器进行 校准. 图 2 为本实验矢量网络分析仪校准后在室温下 测量的去离子水复介电常数值与同条件下李丽英等 (2007)中去离子水测量结果的对比. 从图 2 可以看出, 实验测量得到的去离子水复介电常数的实部与虚部 均与李丽英等 (2007)的测量结果保持一致 , 从而确保 了仪器校准完全及测量的准确性. 同时, 在测量的过 程中, 始终保持同轴线的稳定, 并不断用空气进行校 验 ; 如果测量的空气复介电常数值出现跳跃性的波 动, 则利用 85070E 软件, 选择空气校准选项进行更 新校准, 实时保证测量的稳定性和准确性.