卷 第 第 斯 年 月 海 东 洋 海 只 几 测 量 海 水 微 波 复 介 电常 数 的 新 方 法 一 兴 邹 长 东海 洋学 院 【 内容 提要】 测 量 了不 同 益 度 海 水 的 复介 电 常 数 与 其盐 度 之 间 的 关 系 。 ， 为 了减 小 误 差 并 己构成独 立 的方 法 获得微 波 波段 ， 提 高精 度 搭 载五 种 遥 感 传 感 器 ， ， 为 了 对 遥 感 资料 进 行 解 译 和 开 发 利 用 。 作 过 测量 刚 量 时 对 文 献 报 导 的 方 法 做 了若 样品 为此 ， ’ ，“ ， ， ， ， 红 外 遥 感 相 卜匕 美国 的 一 ， 其 中 包括 ， 但 次数 不 多 。 国 外 学者 曾 用 圆 腔 微 扰 法 ， ， ， 。 例 如 有 的 是 用 化 学 合 成 的 海 水 作样 品 有 的 虽 是 现 场 采 得 的 海 水 作 为 ， 与 国际 标 准统 一 不 起 来 致 使 盐 度 的 改 变对 复 介 电 常 数 反 复 测 量 样 品 的 复 介 电 常数 ， 忿 的 影 响不 敏 感 ， 、 测 ， 有 的 测 量 系 统 腔休 或 波 导 段 盐 度分 档 太 粗 ， 数据点太少 并利 用兄 弟 单 位 和 自 己 的 微 波 系 获 取 了 大 量 的 实 验数 据 二 。 量 海水盐 度 的测 量 采 用 相 对 电导 比 法 测 量 海 水 的 盐 度 本文 。 ， 需 要 测 量 和 研 究 现 场 海水 的 各 种 特 性 我 们 对 现 场 采 得 的 海 水 样 品 作 了 严 格 地 典度 定 标 一 影 响 物 质 微 波 波 谱 特 性 的 因 素 虽然 由于 微 波 遥 感 与 可 见 光 国 内学 者 用 圆 腔 微 扰 法 ① ② 和 波 导 段 法 【 作 过 几 次 实验 ， 但 对 其 盐 度未 作 过 严 格 的 定标 值太低 的 统 ， 。 。 公 布 了所 得 结 果 但 尚有 许 多 不 足 之 处 海 水 的 复介 电 常 数 。 对 于 海 水 的 复 介 电 常 数 的 测 量 国 内外 已 有 报 道 ， 乡匕赫 所 以 在 海 洋 遥 感 中得 到 人 们 特 别 的重 视 其 中四 种 就 是 微 波 传 感 器 海 水 的 微 波 复 介 电常 数 模 式 中通 过 微 扰 法 述 但 其 中一 个 垂 要 因 素 是 物质 的 复 介 电常 数 具 有 全天 候 全 天 时 等独特 优 点 所得 。 、， 。 目 前 已 利 用 微 波遥 感 技 术 研 究 各 种 物 质 的 波 谱 特 性 ， 在 圆腔 ， 概 很多 。 联 合 国教 科 文 组 织 标 准统 一 盐度值能与 千改进 ， 我 们 用 相 对 电 导比 法 对现 场 采集 的 海水 盐 度 进 行精 密测 量 月 年 承 蒙陈国 华 ① 储雪子 ② 黄 、 为使 测得 的 盐 度 达 到 较 高 的 准 确度 。 ， 、 苏 宁 傅 明和两 同学 参加 了 前期工 作 ， ， 互溶 液 及 海 水 介 质 特 性 测 量 上 海 师 范 大 学 微 波 室 耿 淮 滨 的 热情 帮 助 和 指 导 ， 杨等 日收到 。 ， 污 染 水 体 微 波 介 电 常 数 的 测 量 ， 中 国 科 学 院遥 感 所 一 室 ， ， 。 一并致谢 。 ， 在 测量之 前 ， 对 采 得 的海 水样 品 以 防沾 污 。 ， ， 海 洋 对所 要 用 的 器 皿 进 行 严 格清 洁 处 理 迸 行 认 真 地 过 滤 和 净 化的 预 处 理 由于 个 别 低 盐 度 海 水 无 法 采 样 实验 时 一 使用 ， 实 验 中 用 化学 方 法 制 备而 成 型 实验 室 海 水盐 度 计 ‘ 。 一 “ 义 的 灵敏 度 可 达 ， ， 一 火 准 确度 为 士 ， 。 采 用 我 国生 产 的 副 标 准 海 水 进 行 定 标 联 合 国教 科 文 组 标 准 海 水 的 盐 度值 统 一 起 来 测 得的 盐 度 值 与 二 海 东 期 卷 。 ， 使 这 种 仪器 盐 度 测 量 一 重 复性 为 土 明 。 海 水复 介 电常 数 的测 量 测 觉 物质 的 介 电 常 数 方 法 很 多 ， 大 致 有 波导 法 ， 利 用 谐 振 腔 测 量 物质 的 复 介 电常 数 依照 样 的 形 状 可 分 为 杆 状 和 盘状 进 行 测童 。 。 工。 在 ， 壁 和 端 壁 交 界 线 的分 量 响 腔 体 的性 能 。 ，。 。 、 微 扰 法 和 空 间 波法 等 等模 式 ， 传 统方 法是 用 因海 水 的 介 电 常 数 和 损 耗 角都 较 大 有 两个 优点〔 ② 腔 内 电 流只 有 圆 周 方 向 的分 量 触 式 的 活塞 。 、 浩振法 ， ， 所以 ， ， ① 由于 腔 的 损 耗 很 少 〕 “ ， ， 。 。 ，。 模式 。 故 宜 用 杆状 微 扰 法 谐 振 腔 模 式 里 测 量 杆 状 介 质 样 品 的方 法是 一 种 较 新 的方 法 型 工 作模 式 的 圆腔 测 量 ， 。 有 、 。 。 、 我们利 用 因而 腔 的 品质 因 数 很 高 而没 有 跨越 侧 端 壁 可 做成非 接 而 且 活 塞 与 腔 壁 之 间 的 间 隙 并不 影 ， 其 场 的分 布 如 图 一 所示 。 借 … 公 卜洲产洲洲产沪 三司 卜节 以 心汉 一 尹 「 以 拟满 刹 嘱韶二尽石一少 一 一 义 举 叹尸一 乡 图 圆 柱 形腔 。 模 式场 结 构 电流 分布 已〕 平习 日 和 、 圆 柱 腔 结 构 本 室 系统 石 英 样 品管 ， 腔 背腔 效 应 吸 收材 料 图 表 示 谐 振 腔 的结 构 。 本 室 系统 或 者 。 海 水样 品 管 选 用 壁 厚 为 笔 直 而 不 能 有微 弯 的 大 ， 影 响 测 量 精度 。 毫 米 本 室 系统 或 在 品 质 因 数口值 这 么 高 的 情 况 下 能 引 起 腔 体 特 性 的较 显 著 改 变 、 腔 体 内径 为 ， 毫米 ， ， ， 波导 ， 活塞 祸 合孔 ， ， 测微计 无 载 品质 因 数 试 样 的介 电 常 数 有 很 小的 变 化 ， 便 。 毫米 以下 “ 、 损 耗 很 少 的 高 频管 内径 在 ” 。 毫米 、 壁 厚 不 能 太大 石 英 管 内径 对测 量 也 有较天影响 ， 沿 各方 向 壁 厚 均 匀 ， ， 、 内 径一 致 、 否 则 右 英 高频 管 引 起 的 损 耗 就 太细 注 入 的 样 品 太少 ， 腔体所 受 影 海 东 响 太小 响 ， ， 介 电 常 数 的 变 化不 易 被 测 出 微 扰 法 条 件 偏 离太 多 如图 置 。 所示 ， 这样做 ， ， 。 海 内径 太 粗 ， 样 品 引 起的 损耗 太 大 理 论 上 便 存 在 一 定的 误 差 ， 腔 端 壁 小 孔 对 腔体影 响 甚 微 在 微 波频 率下 ， 海 水 的 介 电常 数 为一 复 数 习 惯 上 用 复 介 电 常 数 的 实部 ￡ 和 损 耗 角 ’ 。 。 、 二 、 ‘ 腔 体 受 到 太大 的 影 。 被置 于 腔 体 轴对 称 位 但 测 量 灵 敏 度 较高 。 采 。 ， 便 可 测 得 样 品的 复 介 电 常 数 即。 二 。 ’ 一 的正切值 一 丈 俨卿 宁 巫 旦 笋 笋言去 叮 二 ， ， 期 ’’ 。 。 在 电工 和 电子 学 测 量 领 域 里 来 表 示 被 测 物 质 的物 理 特 性 ， ， 即 。 ’ 叮 二 了 计 算公 式 ， ， 修 正 工 作 极 为不 便 插 入 样 品 的 腔 侧 壁 上 的 小 孔 对 腔 电场 分 量 有较 大 影 响 根 据插 入 样品时腔体谐 振 频 率 及 其品 质 因数 变 化 “ ， 样 品 管 穿 过 圆 腔 母 线 中点 而 垂 直 于 母 线 插 入 腔 体 内 用 轴对 称插 入 样 品时 式中 卷 洋 · 一 一 毛 分别 为零 、 一 、 ‘ 。 · ， 声 ‘产、 ︼ 上 、少 ， ‘ ， ‘‘ 。 一 一 又 冬 ‘ · 又 ， 一 函数 二阶 为腔 体 的 内 径 为样 品直 径 。 ， 亦 即样 品 管 的 内径 为 空 腔 品 质 因数 口 为 有 载 时 腔体 的 品 质 因 数 。 为空 腔 谐 振 频 率 ， 为有载 时 腔 体谐 振 频 率 。 举 辛 辛不 幕 实 验 室微 波 刚 试 系 统 框 图 图 微 波 信号 发 生 器 · 接头 ， ， 三 螺调 配器 、 一 、 微 瓦 功率计 ， 邻 应 波 导 同轴转换 接头 ， 晶体检波器 衰减器 ， ， ， ， 、 隔 离器 精 密 衰减 器 数 字 电压 表 ， ， 定 向 藕 合器 ， 、 计数器 ， 扭波导 ， ， 般换器 谐振腔 ， ， 徽 波数 字 频 率 计 图 时 ， 是 实验 装 置 框 图 。 信 号源 为 型 通 用计数 器 与 型 标 准信 号 发 生 器 ， 采 用 等幅 工 作 方 式 型 微 波 频 率 自动置 换 装置 配 合使 用 ， 。 实验 可直 接读取 期 卷 频率值 东 。， 腔的 温 度 不 变 在 实验 过 程 中 ℃ ， ， ， 为了 保 持 被 测 海 水 样 品 的 温 度 在 其 测 量 过 程 中 保 持 不 变 或 至 少 应 保 持 谐振 当然 ， ， 若 能 保 持 整 个 微 波 测 试 系 统 的 温 度 或 室 温不 变 更 好 我 们 利 用 实验 室 的 空调 设 备 并辅 以 热 冷 吹 风 机 ， ， 即构 成 空 腔 兆赫 使 其频 率 为 。 则 空 腔谐振频率 为 谐振 ℃ 因 现 场 采 样 时 海 水 的 实际 温度 为 将 空 样 品管 插 入 谐 振 腔 ， 盯 洋 的测量 实验 过 程 中 信 号源 海 。 。 士 海 ， ， 兆赫 由于 条 件 所 限 使 谐振 腔 的 温 度 恒 定在 以 使 样 品管 对 测 量 精 度 的 影 响 减 少 到最 小 ， 从 频 率 计 读 下 第 二 次 谐 振 时的 频 率 即 即 求得 由公 式 ， 调节 亦 即数 字 电 压 表 的 指 示 为最 小 值 将 已注 入 海 水 的样 品管 插 入 腔 体 内 ， ， 。 调 节 腔体 使 之 发 生 谐 振 。 ， ， ， 重 调 腔体 ， · ， 使 之 再次 。’ 。 的测量 应 用 扫 频 法 使 腔 体两次 谐振 率 ， 而 保 持 其输 出 信 号 幅 度 时 所示 。 “ 。 卜 、 二 ，卜 、 ， · · ， · · 、 下 ， 口 、 一 ， “ ‘ ， 一 了 丝 丁二 ‘ 九 一九 厂 、 ，’ 分 别 为 有 载腔 体 谐 振 曲线 半 功 率点 。 由于 空 腔 和 有 载 时 ， 腔 体 的 两 种状 态 谐 振 曲 线 形 ， 似 而差 异不 大 微 扰 法 的 前 提 要 求 。 谐 振 曲线 示 于 图 所 以 只将 空腔 这 也 是 晶 体 检 波器 输 出 的 特 征 曲 。 具 体 步骤 当 晶 体 检 波器 工 作 于 平 方 律 状 态 之 ， ， 后 使 精 密衰 减 器衰 减 量 为 叫匕赫 撤 去腔 体 为， ， ， ， 调节 空腔 谐 振 然后 ， ， 分 贝 调 节 信 号源 频 率 为 设 这 时 电压 表 示 数 为 加大 精 密 衰减 器衰 减 量 。 ， 记 下 衰 减增量 为 人吐、 冲 卜功 “ 戈 ’。 ， 的 频率 ’ 和 厂 幅 度 使 其 保 持不 变 。 使 电 压 表示数 仍 · 一 分 贝的位置 ， 。 则有 由公 式 旧 半场 分贝 ， 将 精 密衰 减 器 调 节至 密 衰 减 器仍 处 于 为 当 改 变 信 号源 的频 且 、 线 。 晶 体 检 波器 输 出 功 率 与 加 于 其上 的 信 号频 率 之 间 的 关 系如 图 式 中 厂 厂 为 空 腔 谐 振 曲线 半 功 军点 处 的 频 率 处的频 率 值 。 。 腔 体有 载 时 枯 ， 采 用 吸 收 式 半功 率 法 测 量 腔 体的 如 果将 晶 体 检 波 器 调 到平方 律 区 时 空腔时 、 ， ， ， 腔 体 谐振 曲 线 图 读 取 电压表示数 为 ， 。 。 重 新 装 上 空腔 这 时 分 别 从 了 向高 和 低 段 调 节 信 号源 频 率 求出 同理 可 寻找 ’ 。 和 厂 ， 在 测 量过 程 中 ， 求得 口 值 ， ， ’ ， ‘ 使精 寻 找 电压 表 示 数 始 终用 微 瓦 功 率 计 监 视 信 号源 输 出 继 而 由公 式 求得 值、 测 量 中采 用 的 新 方 法 由公 式 、 直接计算 犷 和 ， 。 ， 且 需 要 准确 测 定 样 品 管 的 内径 吞 由于 》 石 并 东 、 且 在公 式 验中 ， 可靠 性 其结 果 是 ， 洋 卷 对 。 和 ， 的 精度 ’ ， 引起 的误 差 来 消除 测 量 样 品管 内 径 影 响 较大 ， 的 精度 可 达 。 毫米 ， 其 中一 种 样 品 定 为 标 准 样 品 ， 设。 。 ‘ ·、 ， 和 了之值 。 ’ ， ， 。 和 即 蒸馏水 都 应 当是 ， 时 所 引 起 的误 差 显 然便 能 消 去 测 量 分 别 为 海 水 和 蒸 馏 水 的 介 电常 数 理论上 由公 式 实 用 同 一 支 样 品管 具 体方 法 。 。 其 余 参数 均 相 同 兆 赫 的 数 量 级 精度 能达到 。 同 时应用 光 学 比 长 计来 验 证 该 方 法 的 选用 — 水 的 介 电 常 数 作 过 大 量 的 测 试 所 得数 据 多 而 比 较 准 确 这 两 种 样 品 除 公 式 分 别 对 两 种 样 品进 行 测 试 两 参数 不 同外 期 少 我 们 应 用相对 测 量 方 法 ， 海 李又 出 现 在 平 方 项 里 所 以 测 ， 中 海 兆赫 从 而 计 算时 ， 九 ， 、 ， 山 与了 、 因为人们对 蒸馏 ， 。 。 了 分 别 为海 水 、 蒸馏水 的 但 因 信 号源 频 率 调 整 是 由 手 动 调 整 以 实际 频 率 值 代 入 公 式 、 中的 ， 只 。 得 。 。 ， 二 。二 。 。 一 因 而 由测 得 的 蒸 馏 水 的 介 电常 数 与 由公 式 。 丛鱼二 鱼鱼远竺 ’ 一 ’ 即可 计 算 出 海 水 的 介 电 常 数 。 ， ’ 。 求得 、、 、、 ， ， 一 、口 ， 、口 艺‘ 二 。 一 ， 工 上 叮切 一 一 功 口 口 式中 、 二 三 “ 、 行测量 ” 部 分测试结果见 表 和图 一 ， … 。 可 以看出 一 ， 这或 许 与 黄 渤 海现场采 集的海水样 品 的 。 、 ， · 。 。 。 。 。 。‘ 吕 。 。 。 、 ， 渤 海 海 水 的 水质 有 直 接 关 系 ， 进 ， ﹄ ︸ ， 丈 上 ﹄ 卜 八 叮 白 一 一 ， 一 ， 测 试 值偏 高 。 … 习 ‘， 占 曰 八 ︺ 乙 心 ︸ 。 海 水 的复 介 电 常 数 扩 随 其 盐 度 即杂 质 含量 高 时 、 目 目 ， 一 ﹃ 孟 八 左 。 ’ 增 加而 下 降 ， ， ， 随 增 加 而增 加 其 原 因 有待 进 一 步 研 究 在 测 试进 程 中 识 的对 未 作 过 过 滤净 化 处 理 的海 水 进 行 相 同 的 实验 比 较 有很大影 响 ’ · 。 将 上 述 结 果 与文献 值 相 比 较发 现 、 了 。 一 由图 对在黄 。 。 。 ， 海 水 的 介 电 常数 值 和 损 耗 角的 正 切 值 表 亡 口 。 结果讨 论 我 们利 用 东 方 红 号调 查 船 出海 之际 ， 。 ， 分 别 为 海水 样 品 和 蒸 馏 水 样 品 插 入 腔 时 腔 体 的 品 质 因 数 口 为 空 腔 品 质 因 数 ， 。 。 我 们认为 对 这 一 问 题 进 行 过探 讨 ， 即有意 发 现 海 水 中 浮 游生 物 及 杂 质 对 结 果 腔 体 的 品 质 因 数 口 值 下 降较 大 。 ， 实验 中还 发现 信 号源 的 频 率 和 信号 的 幅度 的稳 定 度 对 测试结 果 有 着 较 大 影 响 尤 其 在 测 期 卷 洋 习二 试 腔 体 的 品 质 因数 ， 值时 更 为突 出 ， 因此 提 高 信 号 源 的频 率 和 幅 度 的稳 定度是 提 高 测 量 精 度 的重 要 因 素 。 测量时 ， 动作 要 快 ， 并 随 时监 视 微 波 信 号 源 的 频 率和 输 出幅度 有 否变 化 别 是 在 实验 的 关 键 时刻 不 要 有变 化二另 外 择 样 品管 时 ， 应 严 格 置 于 轴对 称 位 置 ， 特 ， 选 。 由于 目前 微 波 遥 感 刚 刚 开 始 应 用 于 海 洋 研 究 ， 叮 还 没 有一 个合 理 的 测 试 扩 和 标 准和 规范 恰 当的 、 ， 的 统一 从 而 不 敢 说我 们 的 测 试 方 法 就 是 科学的 。 经 遥 感所 的 同 志 和 我 们 的验 算 与文 献 报 道 值 相 比 较 ， 汉 ￡ ， 图 此 法测 量 的 准 确 度 可 一 和 」 口 一 实验 曲 线 。 达 参 〔 〕 玉 ， ， ， 〔 〕 ， ， ， 文 考 〔 〕 赵柏 林 等， 遥感 文选 ， ， ， ， ， ， 科 学 出版社 ， 仁选〕 ‘ ， ， ， 〔 〕 陈国华等 〕 沈致远 〔 〕 二 ， ， 微 波 技术 ， ， 亡 欲。 ， ， ， 班、 仁 〕 周清“ 海 洋 与湖沼 ， ， 卫 国 防工 业 出 版 社 双。 “ 盘 月几 微 波测最技术 ， 位 ， ， ， 八 二 ， 优， 名 。 “ ， ， 只 ， ， 巾 皿 ，” 义 。 ， 国防 工 业 出版 社 ， 五 ‘ 。 」 ， 若 ， 讹 ，。 既 。。 血 三 ， 。。 ’ 咖 。
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