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

(河南城建學院,河南 平頂山 467036)

本文利用諧振腔微擾技術在微波L波段對低鹽土壤的介電常數進行了測量。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,研究介電常數實部和虛部與鹽度、溫度、鹽組分的關系,得出結論:介電常數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性,虛部與含鹽量呈現曲線關系,并與鹽種類存在相關性。在實驗測量數據基礎上,預測了被動微波遙感對鹽堿土特性的識別能力,結果表明: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分辨土壤鹽種類的分析,這為利用微波遙感進行土壤鹽堿化程度監測,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重問題。我國鹽堿土面積大、分布廣、種類多［1一3］,嚴重影響農業生態的發展,同時也會對建筑物產生嚴重腐蝕,尤其是處于鹽堿地區域道路上的橋梁結構和交通附屬設施等,增加交通安全隱患,這些隱患嚴重制約鹽堿地區域內的經濟發展和群眾的日常生產生活的需要。研究利用微波輻射計監測土壤鹽分,對于大面積動態監測鹽堿土壤的含鹽量及類型,認識土壤鹽漬化的過程與土壤防護及對道路交通建筑物的腐蝕程度等具有重大意義。

由于介電常數是微波遙感反演目標特性的重要電參數,因此,國內外學者對土壤的介電常數進行了大量的研究。Wobschall從理論上研究了含水土壤的介電常數,得出了相應的半分散模型［4］。Topp等人在大量實驗的基礎上總結出土壤介電常數與體積含水量的經驗關系式［5］。Ulaby等人在實驗室測量了不同微波頻率下沃土介電常數隨土壤濕度的變化關系以及不同土壤介電常數隨頻率的變化關系［6一7］。Wang等人給出了可調整的與頻率、溫度有關的精細土壤介電常數模型,并且給出了土壤介電常數和含水量的經驗模型。Roth等人在介質介電混合定律模型的理論基礎上,把土壤中液、固、氣三相的體積分數與介電常數進行加權平均來表達土壤的介電常數［8］。Dobson發展了土壤介電常數的半經驗模型,該模型描述了土壤含水量、土壤孔隙度、土壤質地等參數與介電常數的關系,在無鹽土壤的微波遙感研究中得到了廣泛的應用。

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

但是,對于低鹽土壤來說,使用線性關系式計算土壤介電常數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的影響。為了更準確地利用L波段微波輻射計監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,建立低鹽土壤含鹽量與介電常數的擬合關系式。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系。從而可精確地估計利用L波段微波輻射計監測鹽堿土壤鹽分含量及其分辨不同鹽分的能力。

1 測量設備與標定

微波介電常數的測量有許多方法,相對于其他測量方法來說,諧振腔微擾技術可更為準確的測量物質介電常數。20世紀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進行了準確測量,建立起了NaCI溶液和海水介電常數與溫度T和鹽度S的精確關系式。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。當被測樣品管沿著圓柱諧振腔的中心軸線插入到諧振腔內時,根據電磁場微擾理論,被測樣品的介電常數與腔體的諧振頻率和品質因數存在如下關系：

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。這里, a=150mm為圓柱腔體的內半徑,b=5mm為樣品管的內半徑；f0=1.43GHz、Q0=16400分別是測量得到的空腔諧振頻率和無載品質因數,f1、Q1分別是放入樣品后的諧振頻率和有載品質因數。

諧振腔測量需要用標準溶液對測量系統進行標定。標準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等人得到的經驗公式,計算室溫下NaCl水溶液的相對介電常數ε′Nacl和ε′Nacl,作為分析諧振腔系統的標準溶液值。將NaCl標準溶液裝入樣品管分別測量得到諧振頻率f1和品質因數Q1。利用式(1)和(2)計算得到標準溶液的測量值ε′r和ε′r。經過標準溶液的定標分析,上述TE011模圓柱諧振腔的測量介電常數的精度：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。經測試分析,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的分樣篩篩選后進行干燥；在NaCl、KCl、CaCI2和MgCl2四種鹽Cl離子摩爾濃度相等的基礎上,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進行測量。由于諧振腔的測量結果受到環境溫度的影響很大,所以在測量時要盡量保持測量系統環境的基本穩定。同時,為了消除由于環境溫度的微小漂移帶來的系統誤差,測量時可根據樣品的鹽濃度,由小到大,再由大到小的順序測量,如此反復10次,最后取平均值作為最終測量結果；并且在樣品測量的過程中,按照一定的樣品間隔插入NaCI標準溶液樣品,以此對測量結果進行校正,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因數偏移,獲得待測樣品介電常數的一種方法。

3 測量結果

3.1 介電常數與含鹽量的關系

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隨含鹽量變化的測量結果。該結果表明,當含水量一定時,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,標準差為0.57；在樣品溫度為22℃時,實部測量值的范圍為16～18,標準差為0.58。介電常數的虛部與含鹽量的變化具有明顯的相關性,即隨著含鹽量的增加虛部值增大。從圖中也可以看出,溫度對介電常數虛部也有影響,溫度越高虛部值越大,溫度對介電常數虛部的影響,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。這些測量結果表明在微波低頻波段,土壤濕度不變的情況下,介電常數的實部與含鹽量不存在明顯的相關性；而介電常數虛部與含鹽量存在明顯的相關性。

圖1 介電常數與含鹽量的測量結果(a)實部;(b)虛部

3.2 組分特征與介電常數的關系

根據測量結果,土壤樣品中陽離子種類不同,測量得到的介電常數虛部存在明顯差異。圖2為四組陽離子不同陰離子相同的土壤樣品介電常數虛部與含鹽量關系。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,介電常數虛部與含鹽量基本呈現曲線關系。

圖2 不同鹽組分介電常數虛部與含鹽量關系

實驗中氯離子摩爾濃度是一致的,也即對應樣品的Na鹽和K鹽離子濃度相同,Mg鹽和Ca鹽離子濃度相同。介電常數虛部與電導率的關系是正比關系,我們測得的介電常數虛部值,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,土壤中游離的導電離子數也就不同,不同的組分其游離的導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更為復雜的一面。

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的物理量,表征了地物目標的特性,對于光滑表面介質,根據Fresnel反射公式得到垂直入射情況下的發射率為：

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

其中,T為目標的物理溫度,單位為K。

圖3 亮度溫度與含鹽量的關系

將測量的四組鹽堿土壤樣品介電常數數據代入到上述關系式計算得到如圖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果可以看出,利用給出的高鹽度土壤的線性關系式是無法準確給出上述分析結果的,這就是為什么利用諧振腔微擾技術測量低鹽土壤的介電常數的重要依據。根據測量結果,實驗室制備的四種較低含鹽量土壤樣品的介電常數具有如下特性：(1)介電常數是溫度的函數,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)介電常數的實部與含鹽量及其種類無明顯相關性,虛部與含鹽量呈曲線關系,而且不同種類的鹽,出現明顯的差異。

經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劇烈的下降趨勢,因此,利用微波輻射計來監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,可實現分辨鹽土鹽種類的監測。

本文只針對低鹽土壤中的四種陽離子種類進行了介電常數測量,目的是對于陰離子鹽組分、含水量等因素對介電常數影響的研究奠定基礎。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,要想實現微波輻射計對鹽堿土壤鹽含量和種類的被動微波遙感監測,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系表達式。

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［8］Topp G G,Davis L L,Annan A P.Electromagnetic determination of soil water content:measurem一ents in coaxial transmission lines［J］.Water Resour.Res.,1980,16(3).

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。