Способ определения коэффициента отражения поверхности вещества

 

Изобретение относится к области акустических и радиоизмерений и применяется для определения модуля и фазы коэффициента зеркального отражения листовых материалов и плоских поверхностей веществ. Цель: повышение точности и снижение трудоемкости измерений коэффициента зеркального отражения от плоской поверхности вещества. Над плоскостью поверхности исследуемого вещества располагается изотропный отражатель и облучается вместе с ней плоским полем фиксированной частоты (и поляризации в случае электромагнитного поля), формируемым антенной. Новым является то, что приемная антенна совмещена с передающей, ось ее направлена в точку проекции изотропного отражателя на испытуемую подстилающую поверхность, а перемещается по нормали к поверхности изотропный отражатель. При этом фиксируются отношение максимальной и минимальной принимаемых антенной мощностей; минимальная высота отражателя над границей раздела, соответствующая максимуму принимаемого сигнала в антенне. Это позволяет выполнять измерения комплексного коэффициента зеркального отражения различных веществ (например, поверхности грунта) на фиксированной частоте при фиксированном угле места. Модуль коэффициента зеркального отражения и фаза коэффициента зеркального отражения определяются по приведенным формулам.

Изобретение относится к области акустических и радиоизмерений и применяется для определения модуля и фазы коэффициента зеркального отражения листовых материалов и плоских поверхностей веществ.

Известен способ определения коэффициента отражения радиопоглощающего материала, при котором передающая и приемная антенны располагаются вблизи его поверхности и частота излучаемого электромагнитного поля изменяется до получения в приемной антенне максимальной или минимальной величины принимаемой мощности, после чего обе антенны одновременно поворачиваются на 90 градусов для смены поляризации падающего на материал излучения [1].

Наиболее близким по своей идее, то есть прототипом изобретения, является способ определения модуля и фазы коэффициента отражения радиопоглащающего материала (РПМ) [2] . Передающая антенна облучает приемную антенну и РПМ, отражающий сигнал. Приемная антенна принимает оба сигнала, которые складываются с разными фазами. При перемещении РПМ в направлении нормали к его поверхности измеряют максимальную и минимальную величины принимаемого сигнал.

К недостаткам прототипа следует отнести необходимость точной фиксации углов падения электромагнитной волны на РПМ α₁ и α₂ , соответствующих максимальной и минимальной величинам принимаемого сигнала, что необходимо выполнять механическими или другими средствами; возможность определения только средних модуля и фазы коэффициента отражения в диапазоне (α₁; α₂) углов падения электромагнитной волны на РПМ; невозможность определения модуля и фазы коэффициента отражения РПМ, стационарно установленных на различных объектах (например, пол и стены безэховых камер).

Предлагаемый способ позволит избежать указанных ограничений при измерения модуля и фазы коэффициента отражения РПМ, а также других материалов и веществ, например грунта на открытых измерительных установках, изменяющего свои свойства в зависимости от погодных условий.

Это достигается тем, что на место приемной антенны устанавливается перемещаемый по нормали к поверхности изотропный отражатель, а приемная антенна совмещается с передающей. При перемещении отражателя фиксируется отношение максимальной и минимальной принимаемых антенной мощностей c = P_max/P_min и из него находится модуль коэффициента зеркального отражения вещества r. Для определения его фазы φ фиксируется минимальная высота h_o отражателя над границей раздела, соответствующая максимуму принимаемого антенной сигнала; расстояние d между соседними положениями отражателя, обеспечивающими максимум принимаемого сигнала в антенне.

Наиболее рациональным является перемещение отражателя от границы раздела и фиксации высот h_o и h_o+d, соответствующих первому и второму максимумам принимаемого сигнала.

Способ определения модуля и фазы коэффициента зеркального отражения осуществляется следующим образом.

Над плоской поверхностью контролируемого вещества на некоторой высоте h располагается изотропный отражатель. Он и поверхность контролируемого вещества одновременно облучаются плоским полем фиксированной частоты (и поляризации в случае электромагнитного поля). Волна формируется приемопередающей антенной, ось которой направлена в точку проекции изотропного отражателя на испытуемую подстилающую поверхность. Таким образом, при измерении комплексного коэффициента зеркального отражателя реализуется схема моностатической локализации изотропного отражателя, находящегося над подстилающей поверхностью.

Антенна принимает 4 луча, прошедших разными путями и переотраженные изотропным отражателем [3]. Амплитуда принимаемого поле E описывается выражением где E_о амплитуда поля в точке приема в отсутствии поверхности вещества; k = 2π/λ - волновой вектор, λ - длина волны электромагнитного поля;
Θ - угол места (скольжения) при падении поля на поверхность вещества (Θ = 90^o - α , где α - угол падения).

Отсюда максимальная и минимальная принимаемые мощности
P_max = E²₀ (1 + r)⁴
и
P_min = E²₀ (1 - r)⁴,
и модуль коэффициента зеркального отражения вещества r определяется выражением

Из выражения (1) следует, что при изменении высоты изотропного отражателя над поверхностью вещества максимальная (или минимальная) мощность принимается антенной с периодом

Поэтому фаза коэффициента зеркального отражения вещества φ находится из формулы

Экспериментальные исследования показали, что данный способ позволяет полностью исключить необходимость измерения углов меcта падения поля на поверхность вещества Θ , определяя их из формулы (3) с точностью в 3-4 раза более высокой, чем расчетные значения, полученные из геометрических соотношений.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1290201 кл. G 01 R 27/06, 02.01.85.

2. Авторское свидетельство СССР N 1219984 кл. G 01 R 27/06, 05.07.84 (прототип).

3. Андреев А.Ю., Богин Л.Ю., Кобак В.О., Леонтьев В.В. О рассеянии электромагнитных волн на телах вблизи границы раздела. "Радиоэлектроника и электроника", 1990, т. 35, N 4.

Формула изобретения

Способ определения модуля и фазы коэффициента зеркального отражения плоских поверхностей веществ, заключающийся в том, что исследуемое вещество облучают источником колебаний фиксированной частоты посредством антенны, расположенной над поверхностью исследуемого вещества, затем изменяют взаимное положение исследуемого вещества и отраженного поля, измеряют максимальное и минимальное значения принимаемого сигнала и определяют модуль и фазу коэффициента зеркального отражения поверхности исследуемого вещества, отличающийся тем, что над поверхностью исследуемого вещества в зоне облучения располагают изотропный отражатель, антенну фиксируют над этой поверхностью, направляя ее ось на проекцию отражателя на поверхности исследуемого вещества, а измерения максимального и минимального значений принимаемого антенной сигнала производят, перемещая изотропный отражатель перпендикулярно поверхности исследуемого вещества, после чего находят отношение этих значений и минимальную высоту отражателя над поверхностью исследуемого вещества, при которой антенной принимается максимальный сигнал, а также расстояние между двумя соседними положениями отражателя в направлении его перемещения, при которых обеспечивается максимальная величина принимаемого антенной сигнала, и, используя полученные параметры, модуль и фазу коэффициента зеркального отражения определяют из соотношений

где r - модуль коэффициента зеркального отражения поверхности вещества;
φ - фаза коэффициента зеркального отражения поверхности вещества;
C = P_max / P_min - отношение значений максимальной и минимальной мощностей принимаемого антенной сигнала;
h₀ - минимальная высота изотропного отражателя над поверхностью исследуемого вещества, при которой антенной принимается максимальный сигнал;
d - расстояние между двумя соседними положениями отражателя в направлении его перемещения, при которых обеспечивается максимальная величина принимаемого антенной сигнала.