沙尘电磁散射系数测量系统及测量方法

本发明属于沙尘反射、透射、衰减系数测量，具体涉及沙尘电磁散射系数测量系统，还涉及沙尘电磁散射系数测量方法。

背景技术：

1、目前，土地荒漠化的日趋严重导致沙尘天气的频繁出现，严重影响通信质量，影响识别系统对目标的辨认、追踪能力。我国政府采取了一系列的措施预防和应对沙尘暴的影响，加强对沙尘暴的预警能力，提前掌握沙尘暴的信息。未来，对沙尘暴的早期预警和提高沙尘环境目标识别能力依旧是众多学者研究的重点。

2、沙尘是由细小的固体颗粒组成，这些颗粒在大气中悬浮并传播，测量其电磁参数可以帮助了解沙尘的电导率、介电参数、反射和散射特性，从而更好的了解电磁波在沙尘中的传输特性，为科学研究和环境保护提供数据支持，提供沙尘的遥感识别和监测手段，精确了解其分布、扩散和变化情况，为灾害预警和防控提供及时的数据支持。

3、目前，对于沙尘电磁散射特性的实验主要分为内场和外场实验。在野外条件下进行沙尘电磁特性测量实验费时费力，并且受到天气条件的限制，操作上会更加困难和复杂，许多环境因素人为无法控制，例如，沙尘暴产生的风速和沙尘浓度无法控制。内场实验测量沙尘电磁特性一般测量散射参数即可，实验测量参数较少。测量的参数只是对一种沙尘模型有效。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供沙尘电磁散射系数测量系统，具有结构简单，不受外部环境影响的特点。

2、本发明的另一目的是提供沙尘电磁散射系数测量方法，通过控制风速和沙尘密度测量沙尘反射、透射和衰减系数，为研究沙尘电磁参数提供了一种可靠的实验方法。

3、本发明所采用的第一个技术方案是，沙尘电磁散射系数测量系统，包括沙尘试验箱，沙尘实验箱两相对侧壁开设天线窗口，沙尘实验箱的天线窗口处连接发射喇叭天线、接收喇叭天线，发射喇叭天线通过射频线连接矢量网络分析仪输出端，接收喇叭天线连接矢量网络分析仪输入端，沙尘实验箱内连接加热系统。

4、本发明的特点还在于：

5、沙尘实验箱包括试验箱本体，试验箱本体上连接移动板，移动板将试验箱本体分为移动沙箱、粉尘模拟箱，移动板上开设出尘孔，移动沙箱与粉尘模拟箱通过出尘管连通，试验箱本体的粉尘模拟箱内连接粉尘浓度传感器，粉尘浓度传感器连接控制系统，试验箱本体的粉尘模拟箱部分开设两个喇叭天线窗口，试验箱本体底部还连接变频风机，变频风机连接控制系统。

6、本发明所采用的第二个技术方案是，沙尘电磁散射系数测量方法，使用沙尘电磁散射系数测量系统，具体按照以下步骤实施：通过加热系统预热沙尘实验箱，设置风速和沙尘浓度，模拟沙尘暴模型；将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算待测沙尘电磁反射系数；将发射天线与接收天线分别安装在沙尘实验箱两个天线窗口位置上，通过矢量网络分析仪控制发射喇叭天线、接收喇叭天线发射与接收，计算沙尘电磁透射系数，并计算沙尘电磁衰减系数。

7、沙尘电磁散射系数测量方法，将发射喇叭天线、接收喇叭天线安装在沙箱的同一天线窗口位置时，发射喇叭天线与接收喇叭天线之间采用吸波材料隔开，形成单站雷达散射截面测量系统，且另一个窗口用玻璃封装。

8、计算待测沙尘电磁反射系数过程为：

9、推导反射系数的计算公式，设入射面为xoz面，根据麦克斯韦方程组可以得到：

10、

11、

12、将上述方程分为垂直极化波和平行极化波，对于垂直极化波，化简得：

13、

14、在入射面上，有：

15、

16、式(4)中将r定义为反射系数；

17、对于水平极化波，化简得：

18、

19、在入射面上，有：

20、

21、式(6)中，r为反射系数；

22、反射系数则表示为：

23、

24、式(7)中，pr为反射波功率，pi为入射波功率；

25、测量已知反射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得反射功率为p1，将待测沙尘换上，实验测得反射功率为p2，假设定标体的反射系数为r0；

26、根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数rs为：

27、

28、计算得待测沙尘的反射系数rs后还包括：转动发射喇叭天线极化角度，测量水平极化和垂直极化方式下的待测沙尘反射系数。

29、计算沙尘电磁透射系数过程为：

30、推导透射系数的计算公式，设入射面为xoz面，在透射面上，对于垂直极化波：

31、

32、式(9)将t定义为透射系数；

33、对于水平极化波：

34、

35、式(10)中t为透射系数；

36、透射系数则表示为：

37、

38、式(11)中，pt为透射波功率，pi为入射波功率；

39、测量已知透射系数的沙尘作为定标体，通过实验测量测得透射功率为p3，将待测沙尘换上，实验测得透射功率为p4，假设定标体的透射系数为t0；

40、根据实验测量所得的数据通过计算得待测沙尘的反射系数ts为：

41、

42、计算得待测沙尘的反射系数ts后还包括：发射天线和接收天线改变收发的角度，测量水平极化和垂直极化两种情况下的透射系数。

43、计算沙尘电磁衰减系数过程为：

44、给出衰减系数的计算公式，根据麦克斯韦方程组得到波动方程为：

45、

46、式(13)中，kc为波数，其中，α为衰减系数，β为相移系数，则透射波可以表示为：

47、e(r)＝eie-αre-iβr                (13)

48、功率衰减计算公式为：

49、

50、式(15)中，pt为接收功率，pr为发射功率；

51、测量自然空间的衰减系数作为定标，假设自然空间中发射天线的发射功率为p0，接收天线的接收功率为p5，将待测沙尘加上后，假设接收天线的接收功率为p6，则衰减系数可表示为：

52、

53、沙尘实验箱内不放置任何东西，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为p1，加入待测沙尘模拟沙尘暴之后，测量并记录接收喇叭天线的接收功率为p2，利用实验测得的数据，根据式(16)计算得出待测沙尘的衰减系数。

54、还包括：保持发射喇叭天线、接收喇叭天线位置不变，分别测量添加已知电磁参数的沙尘样品前后的接收功率，进行沙尘的衰减系数的测量；改变风速和沙尘浓度得到不同沙尘模型，重新测量沙尘的反射系数、透射系数和衰减系数。

55、本发明有益效果是：

56、本发明沙尘电磁散射系数测量系统，具有结构简单，不受外部环境影响的特点。

57、本发明沙尘电磁散射系数测量方法中，控制风速和沙尘密度，测量结果不受其它因素的影响。相对于一般的内场实验方案，本发明将不同风速、不同密度的沙尘看做不同特性材料，测量其反射、透射和衰减系数，为研究沙尘电磁参数提供了一种可靠的实验方法。