一種枯枝落葉層透過率的測量裝置及測量方法
【專利摘要】一種枯枝落葉層透過率的測量裝置及測量方法，涉及微波輻射特性測量領域，填補了枯枝落葉層透過率測量的空白。該測量裝置包括蓄電池、微波輻射計、樣品室、升降臺、數(shù)據(jù)終端。微波輻射計的喇叭天線放置在樣品室正下方，微波輻射計的喇叭天線口垂直向上放置。通過微波輻射計對樣品室中的樣品進行測量，獲得樣品的微波輻射亮溫，從而通過計算獲得樣品的透過率；通過數(shù)據(jù)終端與微波輻射計進行數(shù)據(jù)通訊，實時記錄微波輻射計的測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明的測量裝置和方法操作簡單、計算容易，適用于多頻段，同時能夠?qū)崿F(xiàn)測量的高精度和高效率，是測量不同厚度、不同含水量的枯枝落葉層透過率的有效方法。
【專利說明】
一種枯枝落葉層透過率的測量裝置及測量方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及微波輻射特性測量技術領域，具體涉及一種枯枝落葉層透過率的測量 裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002]地球上三分之一的陸地被森林覆蓋，林下土壤水分和積雪參數(shù)是陸地與大氣相互 作用的關鍵參數(shù)，對氣候變化具有一定的反饋作用。在自然森林區(qū)，尤其是落葉林區(qū)，土壤 表面通常會覆蓋著較厚的枯枝落葉層，它們不但會削弱土壤的輻射，還會將自身輻射疊加 到森林生態(tài)系統(tǒng)總輻射中，從而降低輻射亮溫觀測值對土壤水分和積雪參數(shù)變化的敏感 性，影響林下土壤水分和積雪參數(shù)的反演精度，因此定量研究枯枝落葉層對電磁波輻射的 衰減作用非常重要，而衰減作用與透過率緊密相關，透過率測量與估算的準確程度影響著 基于星載微波亮溫林下土壤水分和積雪參數(shù)的反演精度。
[0003] 目前，盡管微波能夠穿透森林，但是其枯枝落葉層會對林下目標信息的微波遙感 探測造成干擾，使林下土壤水分和積雪參數(shù)的遙感反演精度較差，無法滿足氣候模式的需 求。因此，充分認識和定量研究枯枝落葉層微波輻射傳輸特性，不但能夠提高對復雜森林生 態(tài)系統(tǒng)電磁波散射與輻射理論的認識，還將改善因?qū)ι治⒉ㄝ椛鋫鬏敊C理解譯不足而導 致的林下目標信息識別精度不高的現(xiàn)狀，為高精度探測林下土壤水分和積雪參數(shù)提供理論 支持。
[0004] 目前關于枯枝落葉層透過率的研究還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了填補枯枝落葉層透過率測量的空白，本發(fā)明提供一種枯枝落葉層透過率的測 量裝置及測量方法。
[0006] 本發(fā)明為解決技術問題所采用的技術方案如下：
[0007] 本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置，包括：
[0008] 微波輻射計；
[0009] 與微波輻射計相連的蓄電池；
[0010] 與蓄電池相連的升降臺；
[0011] 與微波輻射計和升降臺相連的數(shù)據(jù)終端，通過數(shù)據(jù)終端控制升降臺從而控制樣品 室中樣品的高度，通過數(shù)據(jù)終端與微波輻射計進行數(shù)據(jù)通訊，實時記錄微波輻射計的測量 數(shù)據(jù)；
[0012] 安裝在升降臺上的樣品室，所述微波輻射計的喇叭天線放置在樣品室正下方，所 述微波輻射計的喇叭天線口垂直向上放置。
[0013] 進一步的，所述蓄電池的型號為SAIL-6-QA-195,額定電壓為12V。
[0014]進一步的，所述微波輻射計包括喇叭天線和主機箱，其型號為JYR-L-01，頻率為 18.7GHz，波長為1.6cm，帶寬為400M，主波束寬度為15°，靈敏度為0.15k。
[0015] 進一步的，所述樣品室采用聚四氟乙烯材料制成。
[0016] 進一步的，所述數(shù)據(jù)終端采用計算機。
[0017] 本發(fā)明還提供了一種枯枝落葉層透過率的測量方法，包括以下步驟：
[0018] 步驟一、啟動數(shù)據(jù)終端，通過數(shù)據(jù)終端給出控制指令，使微波輻射計測量大氣下行 的微波輻射亮溫Tbat4和黑體的微波輻射亮溫Tb b;
[0019] 步驟二、通過數(shù)據(jù)終端控制升降臺從而調(diào)整樣品室與微波輻射計的喇叭天線口之 間的距離，使之滿足遠場條件，通過微波輻射計測量枯枝落葉層的微波輻射亮溫Tb;
[0020] 步驟三、根據(jù)能量守恒定理，枯枝落葉層的微波輻射亮溫Tb表示為：
[0021] Tb = t ? Tbatm|+e ? T+r ? Td (1)
[0022] 式（1)中：t、e和r分別表示枯枝落葉層的透過率、發(fā)射率和反射率，Tbatm|表示大氣 下行的微波輻射亮溫，T表示枯枝落葉層的物理溫度，Td表示微波輻射計的噪聲亮溫，根據(jù) 實際情況假設:Td = Tbb = T，由基爾霍夫定律可知:t+e+r=l，因此，通過式⑴推導出枯枝落 葉層的透過率t:
[0024]進一步的，所述遠場條件為：即：H>2d2/A，H表示微波輻射計的喇叭天線與樣品室 之間的距離，d為微波輻射計的喇叭天線口徑，A表示微波輻射計的接收波長，當d為8cm、入為 1.6cm時，H最小為80cm滿足遠場條件。
[0025]本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于微波輻射傳輸機理，利用由蓄電池、微波輻射 計、樣品室、升降臺和數(shù)據(jù)終端構成的一套測量裝置，通過人為控制樣品的狀態(tài)，實現(xiàn)不同 厚度、不同含水量條件下的枯枝落葉層微波輻射亮溫測量，在此基礎上，根據(jù)實測的枯枝落 葉層溫度和估算的大氣下行微波輻射亮溫，并結(jié)合大氣輻射傳輸模型就能夠計算出不同厚 度、不同含水量條件下的枯枝落葉層透過率。
[0026]本發(fā)明的測量方法是基于微波輻射傳輸機理實現(xiàn)的，具有操作過程簡單、計算方 法容易的優(yōu)點，是測量不同厚度、不同含水量的枯枝落葉層透過率的有效方法。
[0027] 本發(fā)明的測量裝置具有結(jié)構簡單、操作簡便、成本低的特點，同時能夠?qū)崿F(xiàn)測量的 高精度和高效率。利用本發(fā)明的測量裝置和測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)枯枝落葉層微波輻射傳輸特 性的定量研究。
[0028] 本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置及測量方法適用于K波段、Ka波段和L 波段。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置的結(jié)構示意圖。
[0030] 圖2為采用本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量方法測量大氣下行的微波輻射 殼溫Tbatm丨的不意圖。
[0031] 圖3為采用本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量方法測量黑體的微波輻射亮溫 Tbb的示意圖。
[0032] 圖4為采用本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量方法測量枯枝落葉層的微波輻 射殼溫Tb的不意圖。
[0033] 圖5為大氣下行的微波輻射亮溫曲線。
[0034] 圖6為采用本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量方法實測楊樹林枯枝落葉層在 不同厚度、不同含水量條件下的透過率。
[0035] 圖中：1、蓄電池，2、微波輻射計，3、樣品室，4、升降臺，5、數(shù)據(jù)終端。
【具體實施方式】
[0036]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置，主要包括:蓄電池1、微 波輻射計2、樣品室3、升降臺4、數(shù)據(jù)終端5。蓄電池1分別與微波輻射計2和升降臺4相連，蓄 電池1作為微波輻射計2和升降臺4的電源，用于給微波輻射計2和升降臺4供電；樣品室3安 裝在升降臺4上，通過升降臺4控制樣品室3的高度，從而控制樣品室3中樣品的高度;微波輻 射計2的喇叭天線放置在樣品室3正下方，微波輻射計2的喇叭天線口垂直向上放置，通過微 波輻射計2對樣品室3中的樣品進行測量，獲得樣品的微波輻射亮溫，從而通過計算獲得樣 品的透過率;數(shù)據(jù)終端5分別與微波輻射計2和升降臺4相連，通過數(shù)據(jù)終端5控制升降臺4從 而控制樣品室3中樣品的高度，另一方面，數(shù)據(jù)終端5與微波輻射計2進行數(shù)據(jù)通訊，實時記 錄微波輻射計2的測量數(shù)據(jù)。
[0038] 本實施方式中，蓄電池1的型號為SAIL-6-QA-195,額定電壓為12V。
[0039]本實施方式中，微波輻射計2的型號為JYR-L-01，頻率為18.7GHz，波長為1.6cm，帶 寬為400M，主波束寬度為15°，靈敏度為0.15k。
[0040]本實施方式中，樣品室3采用聚四氟乙烯材料制成，對微波幾乎無影響。
[00411本實施方式中，升降臺4負載為50kg。
[0042] 本實施方式中，數(shù)據(jù)終端5可以采用計算機。
[0043] 本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量方法，是基于上述的枯枝落葉層透過率的 測量裝置實現(xiàn)的，其具體過程如下：
[0044] 步驟一、按照圖1所示，安裝好本發(fā)明的枯枝落葉層透過率的測量裝置。
[0045] 步驟二、利用羅盤將升降臺4和樣品室3調(diào)整水平，同時保證微波輻射計2的喇叭天 線口垂直向上。
[0046] 步驟三、接通微波輻射計2的電源，開始微波輻射計2的預熱工作。
[0047] 步驟四、啟動數(shù)據(jù)終端5,通過數(shù)據(jù)終端5給出控制指令，使微波輻射計2測量大氣 下行的微波輻射亮溫Tbat4(如圖2所示)和黑體的微波輻射亮溫Tb b(如圖3所示）。
[0048]實驗當天的大氣下行的微波輻射亮溫Tbatm丨可以通過大氣輻射傳輸模型和探空資 料計算:使微波輻射計2測量大氣下行的微波輻射輸出電壓值Vatmi，其對應的大氣下行的微 波輻射亮溫Tb atm丨要根據(jù)實驗當天的大氣輻射傳輸模型和探空資料計算得到Tbatmi，黑體的 微波輻射輸出電壓值V b，其對應的黑體的微波輻射亮溫為Tbb，那么根據(jù)線性定標方程對微 波福射計2進行定標，即Ti = a*Vi+b，通過方程組最終確定未知數(shù)a和b，從而得到微波福射計 2的定標方程(此時a和b已經(jīng)為常數(shù)），即給定一個電壓值就能得到亮溫值。
[0049]步驟五、通過數(shù)據(jù)終端5控制升降臺4從而調(diào)整樣品室3與微波輻射計2的喇叭天線 口之間的距離，使之滿足遠場條件，即:H>2d2/A，H表示微波輻射計2的喇叭天線與樣品室3 之間的距離，d為微波輻射計2的喇叭天線口徑，約為8cm，A表示微波輻射計2的接收波長，約 為1.6cm，所以H最小為80cm才滿足遠場條件。通過微波輻射計2測量枯枝落葉層的微波輻射 亮溫Tb(如圖4所示）。
[0050]步驟六、通過數(shù)據(jù)終端5接收枯枝落葉層的微波輻射亮溫Tb。
[0051]步驟七、根據(jù)能量守恒定理，通過微波輻射計2測量的枯枝落葉層的微波輻射亮溫 Tb由三部分構成，可以表示為：
[0052] Tb = t ? Tbatm|+e ? T+r ? Td (1)
[0053]式（1)中：t、e和r分別表示枯枝落葉層的透過率、發(fā)射率和反射率，Tbatm丨表示大氣 下行的微波輻射亮溫，T表示枯枝落葉層的物理溫度(可以利用水銀溫度計或紅外溫度計測 量枯枝落葉層的物理溫度），Td表示微波輻射計2的噪聲亮溫，根據(jù)實際情況假設:Td = Tbb = T，由基爾霍夫定律可知:t+e+r = l，因此，通過式（1)可以推導出枯枝落葉層的透過率t:
[0055] 為了證實本發(fā)明提出的一種枯枝落葉層透過率的測量方法的可行性，選擇楊樹林 枯枝落葉層作為被測對象，對厚度分別為5cm、10cm、15cm，重量含水量分別為7.6%、 19.7%、33.2%、53.4%、67.7%的楊樹林枯枝落葉層分別進行K波段透過率測量。按照本發(fā) 明的一種枯枝落葉層透過率的測量方法的具體步驟，人為改變楊樹林枯枝落葉層的厚度和 重量含水量，重復測量獲取楊樹林枯枝落葉層在不同厚度、不同含水量條件下的微波輻射 亮溫數(shù)據(jù)。如圖5所示，按照本發(fā)明的一種枯枝落葉層透過率的測量方法對大氣下行的微波 輻射亮溫Tb atm丨進行測量，入射角從0°到50°，由于本發(fā)明的測量方法是垂直向上測量的，因 此入射角為〇°，大氣下行的微波輻射亮溫Tb atm丨~7.5K。利用水銀溫度計或紅外溫度計測量 楊樹林枯枝落葉層的物理溫度T。因此，根據(jù)式(2)可以計算出楊樹林枯枝落葉層在不同厚 度、不同含水量條件下的透過率，如表1、2和3所示。結(jié)果如圖6所示，通過實測值擬合的曲線 相關性較好，而且總體的規(guī)律符合理論推導，當楊樹林枯枝落葉層為5cm時，其透過率隨著 含水量增加呈線性下降，這主要是因為頻率低，厚度小導致的光學厚度變化較慢，達到飽和 點比較慢;隨著厚度的增加，其規(guī)律呈現(xiàn)指數(shù)形式，主要是因為厚度，導致的光學厚度變化 較快。通過計算透過率，最終得到了基于物理模型的經(jīng)驗公式。我們很容易得到衰減系數(shù)， 從而方便直接研究枯枝落葉層的衰減特性，從而解決了實地獲取衰減系數(shù)較難的現(xiàn)狀。
[0056] 表 1
[0057]
[0058] 表 2
[0063]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種枯枝落葉層透過率的測量裝置，其特征在于，包括： 微波輻射計(2); 與微波輻射計(2)相連的蓄電池（1); 與蓄電池（1)相連的升降臺(4); 與微波輻射計（2)和升降臺（4)相連的數(shù)據(jù)終端(5)，通過數(shù)據(jù)終端(5)控制升降臺（4) 從而控制樣品室(3)中樣品的高度，通過數(shù)據(jù)終端(5)與微波輻射計(2)進行數(shù)據(jù)通訊，實時 記錄微波輻射計(2)的測量數(shù)據(jù)； 安裝在升降臺（4)上的樣品室(3)，所述微波輻射計(2)的喇叭天線放置在樣品室(3)正 下方，所述微波輻射計(2)的喇叭天線口垂直向上放置。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置，其特征在于，所述蓄電池 (1)的型號為SAIL-6-QA-195,額定電壓為12V。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置，其特征在于，所述微波輻 射計(2)包括喇叭天線和主機箱，其型號為JYR-L-01，頻率為18.7GHz，波長為1.6cm，帶寬為 400M，主波束寬度為15°，靈敏度為0.15k。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置，其特征在于，所述樣品室 (3)采用聚四氟乙烯材料制成，對微波輻射的影響幾乎為0,可以用作承載樣品的裝置。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)終 端(5)采用計算機。6. 權利要求1所述的一種枯枝落葉層透過率的測量裝置的測量方法，其特征在于，包括 以下步驟： 步驟一、啟動數(shù)據(jù)終端（5)，通過數(shù)據(jù)終端（5)給出控制指令，使微波輻射計(2)測量大 氣下行的微波輻射亮溫Tbat4和黑體的微波輻射亮溫Tbb; 步驟二、通過數(shù)據(jù)終端(5)控制升降臺（4)從而調(diào)整樣品室(3)與微波輻射計(2)的喇叭 天線口之間的距離，使之滿足遠場條件，通過微波輻射計(2)測量枯枝落葉層的微波輻射亮 溫Tb; 步驟三、根據(jù)能量守恒定理，枯枝落葉層的微波輻射亮溫Tb表示為： Tb = t ? Tbatm|+e ? T+r ? Td (1) 式（1)中：t、e和r分別表示枯枝落葉層的透過率、發(fā)射率和反射率，Tbatmi表示大氣下行 的微波輻射亮溫，T表示枯枝落葉層的物理溫度，Td表示微波輻射計(2)的噪聲亮溫，根據(jù)實 際情況假設:Td = Tbb = T，由基爾霍夫定律可知:t+e+r=l，因此，通過式（1)推導出枯枝落葉 層的透過率t:7. 根據(jù)權利要求6所述的測量方法，其特征在于，所述遠場條件為：即：H> 2d2/A，H表示 微波輻射計(2)的喇叭天線與樣品室(3)之間的距離，d為微波輻射計(2)的喇叭天線口徑，入 表示微波福射計(2)的接收波長，當d為8cm、A為1.6cm時，H最小為80cm滿足遠場條件。
【文檔編號】G01N15/08GK106052879SQ201610344723
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】楊建衛(wèi), 李曉峰, 趙凱, 鄭興明
【申請人】中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所