基于辐射计的透波材料发射率、透射率测量方法及装置

1.本发明属于无源微波/毫米波遥感与探测技术领域，更具体地，涉及基于辐射计的透波材料发射率、透射率测量方法及装置。


背景技术：

2.自然界中，一切物理温度高于绝对零度的物质都以电磁波的形式向外辐射能量，其频率范围几乎覆盖整个波段，不同物质具有不同的辐射谱。毫米波辐射探测技术具有全天时、准全天候工作、隐蔽性和良好的穿透性等优点，在遥感、目标探测以及人体安全检查等领域有着重要的应用。
3.毫米波发射率是表征物质物体毫米波辐射能力的关键参量，也是解译毫米波辐射图像的关键。通常而言，发射率与物体的材质以及结构尺寸相关，且是频率、观测角度及观测极化的函数。发射率的精确测量是进行辐射特性评估，辐射计算模型验证以及基于辐射图像的分类识别的基本前提，高精度毫米波发射率测量方法正是支撑毫米波发射率精确测量的基础。
4.目前已有的发射率测量方法如亮温法和电压法都是针对非透波材料目标提出来的，非透波材料在进行辐射测量时无需考虑背景辐射的透射，而对于透波材料的发射率测量方法在毫米波遥感与探测领域鲜有研究。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于辐射计的透波材料发射率、透射率方法及装置，旨在填补毫米波遥感与探测领域针对透波材料发射率测量方法的空缺。
6.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于辐射计的透波材料发射率、透射率方法，测量原理可简述如下：
7.利用辐射计对场景进行极近距离观测时，即不考虑路径衰减情形下，辐射计天线口面处的辐射强度应该由场景自身辐射、环境辐射在目标表面的反射以及背景辐射的透射三个部分构成。基于瑞利-金斯近似和基尔霍夫定律，对于透波材料，其亮温ta表达为：
8.ta＝et
ph
+ρtg+γtb＝et
ph
+(1-e-γ)tg+γtbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
9.其中t
ph
、tg、tb分别为目标样品物理温度，环境辐射亮温和背景辐射亮温，e、ρ和γ分别为材料的表面发射率、镜面反射率和透射率。
10.在对目标进行物理温度测量时，通常利用温度计对目标表面进行物理温度测量，此测量结果等效于对相同物理温度的黑体进行辐射测量。若对背景辐射亮温tb进行“标定”，将相同物理温度的黑体作为其背景，则式(1)可表达为：
11.ta＝et
ph
+(1-e-γ)tg+γt
ph
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
12.可得：
[0013][0014]
基于以上各式，用辐射计对用“黑体”作为背景的目标材料以及与目标材料放置于同一位置的“黑体”，金属板单独测量，分别得到t
atarget
、t
abb
和t
ametal
：
[0015][0016][0017][0018]
其中t
aptarget
、t
apbb
、t
apenvi
分别为目标材料、黑体、金属板的视在温度。tn(θ,φ)是波束覆盖的非待测目标区域的辐射亮温，波束覆盖的非待测目标区域的辐射亮温，为辐射计天线归一化方向图，ω1为目标所在区域在天线辐射方向图中所占据的立体角。
[0019]
则有：
[0020][0021]
第二步，测目标的透射率，采用双辐射源的方式，用第一辐射源照射待测物体，并在待测物体后放置辐射计，辐射计的天线波束对齐目标的中心，辐射源、目标中心与天线主波束中心保持在同一条直线上，测量得到t1，再用第二辐射源替换第一辐射源再次测量得到t2，接着对第一辐射源和第二辐射源直接测量得到t3和t4，亮温表达式分别为：
[0022]
t1＝γt
radio1
+et
ph
+(1-e-γ)tgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0023]
t2＝γt
radio2
+et
ph
+(1-e-γ)tgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0024]
t3＝t
radio1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0025]
t4＝t
radio2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0026]
式中t
radio1
、t
radio2
分别为第一辐射源和第二辐射源的亮温。假设在测量的过程中环境未发生改变，故目标材料的透射率γ的表达式为：
[0027][0028]
代入式(7)中得目标材料的发射率。
[0029]
根据辐射测量亮温与辐射计输出电压值成线性关系的定标原理，再由上述该方法基于的数学关系，本发明提出的基于辐射计的透波材料发射率、透射率方法具体包括以下步骤：
[0030]
(1)将目标材料和相同尺寸的黑体材料置于同一温度环境下，使得目标材料和黑体材料的物理温度相同；
[0031]
(2)构建均匀辐射环境，环境辐射亮温与黑体材料及目标材料的物理温度不相同；
[0032]
(3)将黑体材料固定，用辐射计对固定的黑体材料进行测量，得到电压测量值v
abb
；
[0033]
(4)将金属板和目标材料先后放置在黑体材料表面相同位置，在相同极化方式和相同观测角下测得一一对应的辐射电压v
ametal
和v
atarget
；
[0034]
(5)利用v
atarget
、v
ametal
、v
abb
进行差值分析，得到目标材料发射率和透射率之和；
[0035]
(6)取下黑体材料，将目标材料固定，调节可调强度辐射源，先后用第一辐射源和第二辐射源对固定的目标材料进行照射，通过调整辐射源到地面的高度，使得辐射源、目标中心与天线主波束中心保持在同一条直线上，测得目标材料的辐射电压分别为v1和v2；
[0036]
(7)取下目标材料，单独对第一辐射源和第二辐射源进行测量，得到辐射电压分别为v3和v4；
[0037]
(8)利用v1、v2、v3和v4进行差值分析，得到目标材料的透射率。
[0038]
进一步地，步骤(5)的具体实现方式为：将v
atarget
减去v
ametal
得到第一差值，v
atarget
减去v
abb
得到第二差值，再将第一差值除以第二差值，得到目标材料的发射率和透射率之和。
[0039]
进一步地，步骤(8)的具体实现方式为：用v4减v3得到的差值除以v2减v1得到的差值，即为目标材料的透射率，再用步骤(5)中差值分析后的结果减去透射率，得到目标材料的发射率。
[0040]
进一步地，步骤(4)的具体实现方式为：目标材料和金属板置于黑体材料表面，并与黑体材料贴合。
[0041]
进一步地，步骤(6)的辐射源辐射强度可调；两种强度的辐射源对目标材料进行照射时，其与目标材料的距离相等；通过调整辐射源到观测水平的高度，使得辐射源、目标中心与天线主波束中心保持在同一条直线上。
[0042]
进一步地，本发明取得的有益效果是，通过用相同物理温度相同尺寸的黑体作为背景，无需另外用噪声源对背景辐射“标定”，使得测量步骤简单，省时省力。
[0043]
进一步地，所有步骤应在较短时间内完成，时间为分钟级，使得每次测量时环境基本不变。
[0044]
本发明另一方面提供了一种基于辐射计的透波材料发射率、透射率测量装置，包括转台、可调强度辐射源、夹具以及辐射计；
[0045]
所述可调强度辐射源通过夹具固定，该辐射源能调节辐射强度，用于切换对黑体材料/金属板/目标材料进行照射的辐射强度，透射后的主波束传播至固定于转台上的辐射计，所述辐射计用于对黑体材料/金属板/目标材料进行辐射测量，基于所述辐射计测得的辐射电压得到目标材料的发射率和透射率。
[0046]
进一步地，将黑体材料固定，用辐射计对固定的黑体材料进行测量，得到辐射电压v
abb
；将金属板和目标材料先后放置在黑体材料表面相同位置，在相同极化方式和相同观测角下用辐射计进行测量，得到辐射电压v
ametal
和v
atarget
；利用v
atarget
、v
ametal
、v
abb
进行差值分析，得到目标材料发射率和透射率之和。取下黑体材料，将目标材料固定，调节可调强度辐射源，先后用第一辐射源和第二辐射源对固定的目标材料进行照射，通过调整辐射源到地面的高度，使得辐射源、目标中心与天线主波束中心保持在同一条直线上，测得目标材料的辐射电压分别为v1和v2；取下目标材料，单独对第一辐射源和第二辐射源进行测量，得到辐射电压分别为v3和v4；利用v1、v2、v3和v4进行差值分析，得到目标材料的透射率。
[0047]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
和v2；取下目标材料，单独对第一辐射源和第二辐射源进行测量，得到辐射电压分别为v3和v4；利用v1、v2、v3和v4进行差值分析，得到目标材料的透射率。用公式表示为：
[0065][0066]
结合式(13)，得发射率的表达式为：
[0067][0068]
更具体地，步骤(6)中两种强度的辐射源对目标材料进行照射时，其与目标材料的距离相等；通过调整辐射源到观测水平的高度，使得辐射源、目标中心与天线主波束中心保持在同一条直线上；四次测量过程中，辐射计与噪声源的距离不变。图2为本发明提供的基于辐射计的透波材料发射率、透射率方法的辐射测量示意图。
[0069]
更具体地，步骤(1)至(4)中的黑体采用500mm
×
500mm的泡棉吸波材料。
[0070]
本发明还提供了一种基于辐射计的透波材料发射率、透射率测量装置，如图3所示，包括转台、可调强度辐射源、夹具以及辐射计；
[0071]
所述可调强度辐射源通过夹具固定，该辐射源能调节辐射强度，用于切换对黑体材料/金属板/目标材料进行照射的辐射强度，透射后的主波束传播至固定于转台上的辐射计，所述辐射计用于对黑体材料/金属板/目标材料进行辐射测量，基于所述辐射计测得的辐射电压得到目标材料的发射率和透射率。
[0072]
进一步地，将黑体材料固定，用辐射计对固定的黑体材料进行测量，得到辐射电压v
abb
；将金属板和目标材料先后放置在黑体材料表面相同位置，在相同极化方式和相同观测角下用辐射计进行测量，得到辐射电压v
ametal
和v
atarget
；利用v
atarget
、v
ametal
、v
abb
进行差值分析，得到目标材料发射率和透射率之和。取下黑体材料，将目标材料固定，调节可调强度辐射源，先后用第一辐射源和第二辐射源对固定的目标材料进行照射，通过调整辐射源到地面的高度，使得辐射源、目标中心与天线主波束中心保持在同一条直线上，测得目标材料的辐射电压分别为v1和v2；取下目标材料，单独对第一辐射源和第二辐射源进行测量，得到辐射电压分别为v3和v4；利用v1、v2、v3和v4进行差值分析，得到目标材料的透射率。
[0073]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。