基于L波段微波諧振腔分析鹽堿土壤介電特性的研究

宋自影 李榮榮 牛磊

(河南城建學(xué)院,河南 平頂山 467036)

基于L波段微波諧振腔分析鹽堿土壤介電特性的研究

宋自影 李榮榮 牛磊

(河南城建學(xué)院,河南 平頂山 467036)

本文利用諧振腔微擾技術(shù)在微波L波段對低鹽土壤的介電常數(shù)進(jìn)行了測量。通過測量實驗室制備的不同含鹽量以及四種陽離子組分的土壤樣品的介電常數(shù),研究介電常數(shù)實部和虛部與鹽度、溫度、鹽組分的關(guān)系,得出結(jié)論:介電常數(shù)實部和虛部均隨溫度升高而增大,隨著含鹽量的增加,其虛部受溫度影響變大;實部與含鹽量及其種類無明顯相關(guān)性,虛部與含鹽量呈現(xiàn)曲線關(guān)系,并與鹽種類存在相關(guān)性。在實驗測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,預(yù)測了被動微波遙感對鹽堿土特性的識別能力,結(jié)果表明:利用微波輻射計能夠有效地分辨低鹽土壤含鹽量的變化,并且在土壤鹽度大于5‰的情況下,利用多波段微波輻射計可實現(xiàn)分辨土壤鹽種類的分析,這為利用微波遙感進(jìn)行土壤鹽堿化程度監(jiān)測,提供了一定的參考。

諧振;L波段;離子;土壤鹽度

土壤鹽堿化是目前世界上面臨的一個嚴(yán)重問題。我國鹽堿土面積大、分布廣、種類多［1一3］,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生態(tài)的發(fā)展,同時也會對建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕,尤其是處于鹽堿地區(qū)域道路上的橋梁結(jié)構(gòu)和交通附屬設(shè)施等,增加交通安全隱患,這些隱患嚴(yán)重制約鹽堿地區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾的日常生產(chǎn)生活的需要。研究利用微波輻射計監(jiān)測土壤鹽分,對于大面積動態(tài)監(jiān)測鹽堿土壤的含鹽量及類型,認(rèn)識土壤鹽漬化的過程與土壤防護(hù)及對道路交通建筑物的腐蝕程度等具有重大意義。

由于介電常數(shù)是微波遙感反演目標(biāo)特性的重要電參數(shù),因此,國內(nèi)外學(xué)者對土壤的介電常數(shù)進(jìn)行了大量的研究。Wobschall從理論上研究了含水土壤的介電常數(shù),得出了相應(yīng)的半分散模型［4］。Topp等人在大量實驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出土壤介電常數(shù)與體積含水量的經(jīng)驗關(guān)系式［5］。Ulaby等人在實驗室測量了不同微波頻率下沃土介電常數(shù)隨土壤濕度的變化關(guān)系以及不同土壤介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系［6一7］。Wang等人給出了可調(diào)整的與頻率、溫度有關(guān)的精細(xì)土壤介電常數(shù)模型,并且給出了土壤介電常數(shù)和含水量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Roth等人在介質(zhì)介電混合定律模型的理論基礎(chǔ)上,把土壤中液、固、氣三相的體積分?jǐn)?shù)與介電常數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均來表達(dá)土壤的介電常數(shù)［8］。Dobson發(fā)展了土壤介電常數(shù)的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?該模型描述了土壤含水量、土壤孔隙度、土壤質(zhì)地等參數(shù)與介電常數(shù)的關(guān)系,在無鹽土壤的微波遙感研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

與無鹽土壤相比,鹽堿土壤的微波介電特性更為復(fù)雜,尤其是含水量的不同。土壤中游離的導(dǎo)電離子數(shù)不同,且不同的組份游離的導(dǎo)電離子特性也不相同,影響了介質(zhì)內(nèi)電場的分布。迄今為止,Carver通過已采用的土壤一水介電模型強調(diào)了土壤鹽度對介電常數(shù)的影響。K.Sreenivas等人分析了L波段復(fù)介電常數(shù)與含鹽量的關(guān)系,得到了介電常數(shù)實部主要依賴于含水量,而虛部依賴于含鹽量的重要結(jié)論。邵云等人利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,采用同軸線傳輸/反射測量技術(shù),對含水的較高含鹽土壤進(jìn)行了測量,研究了帶有經(jīng)驗系數(shù)的土壤可測參數(shù)(含鹽量、含水量)等與土壤介電常數(shù)虛部的關(guān)系。在L波段,當(dāng)其他條件(含水量,土壤質(zhì)地等)一致的情況下,給出了土壤含鹽量與介電常數(shù)的線性關(guān)系式。

但是,對于低鹽土壤來說,使用線性關(guān)系式計算土壤介電常數(shù)與實際的測量值相比存在較大誤差,且無法反映不同組分對介電常數(shù)的影響。為了更準(zhǔn)確地利用L波段微波輻射計監(jiān)測土壤含鹽量的靈敏度,本文在實驗室條件下,制備了含有不同種類陽離子(Na+、K+、Ca2+和Mg2+)和不同濃度的Cl一鹽土壤樣品,利用L波段圓柱形微波諧振腔微擾法,精確地測量了低鹽(0～6‰)土壤樣品的微波介電常數(shù),建立低鹽土壤含鹽量與介電常數(shù)的擬合關(guān)系式。最后,通過菲涅爾反射定律和微波輻射亮度溫度等相關(guān)公式,在不考慮土壤粗糙度的情況下,計算得到了光滑鹽堿地表微波輻射亮度溫度與不同陽離子土壤含鹽量的關(guān)系。從而可精確地估計利用L波段微波輻射計監(jiān)測鹽堿土壤鹽分含量及其分辨不同鹽分的能力。

1 測量設(shè)備與標(biāo)定

微波介電常數(shù)的測量有許多方法,相對于其他測量方法來說,諧振腔微擾技術(shù)可更為準(zhǔn)確的測量物質(zhì)介電常數(shù)。20世紀(jì)70年代,Ho等人利用TM010模圓柱諧振腔在2.653GHz和1.43GHz頻點上分別對NaCI水溶液和海水的介電常數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確測量,建立起了NaCI溶液和海水介電常數(shù)與溫度T和鹽度S的精確關(guān)系式。然而,對于高損耗樣品來說,由于TM010模圓柱諧振腔其中心線處的電場最強,因此需要樣品管徑較小時才能滿足微擾條件,不利于鹽堿土樣品的測試。TE011模圓柱諧振腔中心軸線處的電場最弱,可允許插入較大直徑和較大損耗的圓柱樣品。本文的測量采用了這種測量方案。當(dāng)被測樣品管沿著圓柱諧振腔的中心軸線插入到諧振腔內(nèi)時,根據(jù)電磁場微擾理論,被測樣品的介電常數(shù)與腔體的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)存在如下關(guān)系：

其中B=J12(3.832b/a)一j0(3.832b/a)·j2(3.832b/a),j0、J1、j2分別為第一類零階、一階和二階Bessel函數(shù)。這里, a=150mm為圓柱腔體的內(nèi)半徑,b=5mm為樣品管的內(nèi)半徑；f0=1.43GHz、Q0=16400分別是測量得到的空腔諧振頻率和無載品質(zhì)因數(shù),f1、Q1分別是放入樣品后的諧振頻率和有載品質(zhì)因數(shù)。

諧振腔測量需要用標(biāo)準(zhǔn)溶液對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)溶液可采用蒸餾水配制的鹽度S=0、5、10、15、25、30、35(‰)的7種濃度的NaCl溶液,并利用Strogyn等人得到的經(jīng)驗公式,計算室溫下NaCl水溶液的相對介電常數(shù)ε′Nacl和ε′Nacl,作為分析諧振腔系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液值。將NaCl標(biāo)準(zhǔn)溶液裝入樣品管分別測量得到諧振頻率f1和品質(zhì)因數(shù)Q1。利用式(1)和(2)計算得到標(biāo)準(zhǔn)溶液的測量值ε′r和ε′r。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)溶液的定標(biāo)分析,上述TE011模圓柱諧振腔的測量介電常數(shù)的精度：實部相對誤差為0.4%,虛部相對誤差為2.9%。

2 樣品制備與測量

實驗中選用的原始鹽堿土樣是2013年6月份采自河南開封黃河沿岸平原地區(qū)。經(jīng)測試分析,其八大離子含量見表1。樣品的配制：將采集回來的土樣充分粉碎,用孔徑為0.5mm的分樣篩篩選后進(jìn)行干燥；在NaCl、KCl、CaCI2和MgCl2四種鹽Cl離子摩爾濃度相等的基礎(chǔ)上,配制四種鹽的水溶液；分別取等量22g干燥后的土樣放入PTFE試管中墩實,至土壤的容重為1.49g/cm3,然后各加入配制好的鹽溶液,溶液總量為5.5g,密封保存120h,使得土樣與鹽溶液充分混合,此時土壤的體積含水量為37.25%。

表1 原始土樣鹽組分

將配制好的土壤樣品利用微波諧振腔測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。由于諧振腔的測量結(jié)果受到環(huán)境溫度的影響很大,所以在測量時要盡量保持測量系統(tǒng)環(huán)境的基本穩(wěn)定。同時,為了消除由于環(huán)境溫度的微小漂移帶來的系統(tǒng)誤差,測量時可根據(jù)樣品的鹽濃度,由小到大,再由大到小的順序測量,如此反復(fù)10次,最后取平均值作為最終測量結(jié)果；并且在樣品測量的過程中,按照一定的樣品間隔插入NaCI標(biāo)準(zhǔn)溶液樣品,以此對測量結(jié)果進(jìn)行校正,從而保證測量精度。

為了消除由于有機玻璃樣品管等對測量引起的系統(tǒng)誤差,提高測量的精確度,實際測量采用相對測量方法。相對測量方法是指利用已知介電常數(shù)的樣品作為參考樣品,通常選取蒸餾水作為參考樣品,通過分別測量比較待測樣品和已知樣品的諧振腔的頻率和品質(zhì)因數(shù)偏移,獲得待測樣品介電常數(shù)的一種方法。

3 測量結(jié)果

3.1 介電常數(shù)與含鹽量的關(guān)系

圖1是樣品在兩個溫度下(27。和22。)的所有樣品相對介電常數(shù)隨含鹽量變化的測量結(jié)果。該結(jié)果表明,當(dāng)含水量一定時,實部的變化與含鹽量的變化并沒有明顯的相關(guān)性,并且與鹽的種類也沒有明顯的依賴性,但受溫度的影響較大。在樣品溫度為27℃時,實部測量值的范圍為19～21,標(biāo)準(zhǔn)差為0.57；在樣品溫度為22℃時,實部測量值的范圍為16～18,標(biāo)準(zhǔn)差為0.58。介電常數(shù)的虛部與含鹽量的變化具有明顯的相關(guān)性,即隨著含鹽量的增加虛部值增大。從圖中也可以看出,溫度對介電常數(shù)虛部也有影響,溫度越高虛部值越大,溫度對介電常數(shù)虛部的影響,隨著含鹽量的增大而增加,也即含鹽量越大的情況下,受溫度的影響越大。這些測量結(jié)果表明在微波低頻波段,土壤濕度不變的情況下,介電常數(shù)的實部與含鹽量不存在明顯的相關(guān)性；而介電常數(shù)虛部與含鹽量存在明顯的相關(guān)性。

圖1 介電常數(shù)與含鹽量的測量結(jié)果(a)實部;(b)虛部

3.2 組分特征與介電常數(shù)的關(guān)系

根據(jù)測量結(jié)果,土壤樣品中陽離子種類不同,測量得到的介電常數(shù)虛部存在明顯差異。圖2為四組陽離子不同陰離子相同的土壤樣品介電常數(shù)虛部與含鹽量關(guān)系。圖2中a,b,c,d分別代表加入NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2溶液的樣品。從圖中可以看出,對于每一組樣品,介電常數(shù)虛部與含鹽量基本呈現(xiàn)曲線關(guān)系。

圖2 不同鹽組分介電常數(shù)虛部與含鹽量關(guān)系

實驗中氯離子摩爾濃度是一致的,也即對應(yīng)樣品的Na鹽和K鹽離子濃度相同,Mg鹽和Ca鹽離子濃度相同。介電常數(shù)虛部與電導(dǎo)率的關(guān)系是正比關(guān)系,我們測得的介電常數(shù)虛部值,Na鹽要比K鹽高,Mg鹽相對比Ca鹽高,這說明,雖然土壤樣品的含鹽量一致,但土壤中的鹽組分的不同,土壤中游離的導(dǎo)電離子數(shù)也就不同,不同的組分其游離的導(dǎo)電離子特性也就不相同。不同鹽組份間虛部存在差異,20℃時NaCl,KCl,MgCl2,CaCl2四種鹽溶解度分別為36,34,74,64.7,溶解度的不同,使得相同含水量下,土壤中的游離離子存在差異,也是造成虛部差異的原因之一。這反映了鹽堿土壤的微波介電特性隨著鹽類的不同而呈現(xiàn)更為復(fù)雜的一面。

4 亮度溫度分析

微波輻射亮度溫度是被動微波遙感地物目標(biāo)的物理量,表征了地物目標(biāo)的特性,對于光滑表面介質(zhì),根據(jù)Fresnel反射公式得到垂直入射情況下的發(fā)射率為：

e是目標(biāo)物質(zhì)介電常數(shù)。微波輻射亮度溫度,是觀測目標(biāo)的物理溫度與其輻射率的乘積,其公式如下：

其中,T為目標(biāo)的物理溫度,單位為K。

圖3 亮度溫度與含鹽量的關(guān)系

將測量的四組鹽堿土壤樣品介電常數(shù)數(shù)據(jù)代入到上述關(guān)系式計算得到如圖3所示的亮度溫度隨土壤含鹽量變化的關(guān)系圖。由圖中可以看到：隨著土壤鹽分的增高,土壤的微波輻射亮度溫度呈現(xiàn)劇烈的下降趨勢,并且在含鹽量大于5‰的情況下,四種鹽的亮度溫度出現(xiàn)明顯的不同。如果L波段的微波輻射計的靈敏度為0.1K,那么經(jīng)計算,微波輻射計可分辨土壤中四種鹽類的最小量分別是：NaCI為0.3‰,KCI為0.56‰,CaCI2為0.25‰和MgCI2為0.13‰。如果含鹽量大于5‰時,利用0.1K的L波段的微波輻射計可分辨出四種不同的鹽類土壤。

5 結(jié)語

由土壤輻射的微波亮度溫度以及輻射計檢測到的最小含鹽量的分析結(jié)果可以看出,利用給出的高鹽度土壤的線性關(guān)系式是無法準(zhǔn)確給出上述分析結(jié)果的,這就是為什么利用諧振腔微擾技術(shù)測量低鹽土壤的介電常數(shù)的重要依據(jù)。根據(jù)測量結(jié)果,實驗室制備的四種較低含鹽量土壤樣品的介電常數(shù)具有如下特性：(1)介電常數(shù)是溫度的函數(shù),實部和虛部均隨溫度的升高而變大,虛部隨含鹽量的增大,受溫度影響變大；(2)介電常數(shù)的實部與含鹽量及其種類無明顯相關(guān)性,虛部與含鹽量呈曲線關(guān)系,而且不同種類的鹽,出現(xiàn)明顯的差異。

經(jīng)過土壤的微波輻射亮度溫度的分析,隨著土壤含鹽量的變化,土壤的微波輻射亮度溫度呈現(xiàn)劇烈的下降趨勢,因此,利用微波輻射計來監(jiān)測土壤含鹽量是可行的。在含鹽量大于5‰的情況下,四種鹽的亮度溫度出現(xiàn)明顯的不同,因此在多波段微波輻射計共同測量的情況下,可實現(xiàn)分辨鹽土鹽種類的監(jiān)測。

本文只針對低鹽土壤中的四種陽離子種類進(jìn)行了介電常數(shù)測量,目的是對于陰離子鹽組分、含水量等因素對介電常數(shù)影響的研究奠定基礎(chǔ)。顯然,上述微波輻射亮度溫度的分析是在不考慮土壤粗糙度的理想情況下得到的。因此,要想實現(xiàn)微波輻射計對鹽堿土壤鹽含量和種類的被動微波遙感監(jiān)測,必須得到低鹽土壤含鹽量及其各種鹽種類、土壤濕度以及土壤溫度等更為普遍的關(guān)系表達(dá)式。

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Study on the Dielectric ProPerties of Saline Alkali Soil based on the Analysis of L-band Microwave Resonant Cavity

Song Ziying Li Rongrong Niu Lei
(Henan University of Urban Construction,Pingdingshan Henan 467036)

This paper measured the dielectric constant for low salt soil in the L一band microwave by resonant cavity perturbation technique.By measuring the dielectric constant of soil samples with different salt content and the composition of four cationic prepared in the lab,and studying the relationships between the real part and imaginary part of dielectric constant and the salinity,temperature,and salt composition,it is concluded that:both the real part and imaginary part of dielectric constant increase with growing temperature,with the increasing of salt content,the imaginary part has a greater influence by the temperature;the real part has no obvious relation with the salt content and the categorization,the imaginary part has a curve relationship with the salt content,and is relative to the categorization of salt.On the basis of experimental measurement data,the ability of passive microwave remote sensing to identify the characteristics on saline一alkali soil was prospected,the results showed that:the salt content change of low一salt soil can be effectively identified by using microwave radiometers,and under the situation of more than 5‰salt content in soil,analysis on the identification of salt categorization in soil can be realized by multi一band microwave radiometer, which provides certain reference for the monitoring on the degree of soil salinization by microwave sensor.

Resonance;L一band;Ion;Soil salinity

P208

A

1003一5168(2015)07一0140一4

2015一6一5

國家自然基金青年基金(No.41501440)。

宋自影(1988一),女,碩士,助教,研究方向:地理信息系統(tǒng)。