一種纖維織物的毫米波輻射特性測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及纖維織物輻射特性測(cè)試技術(shù)，特別是一種纖維織物的毫米波輻射特性 測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自然界的所有物質(zhì)，只要在絕對(duì)零度以上，在整個(gè)電磁波譜上都會(huì)向外輻射電磁 能量。自然界中實(shí)際物體的輻射特性較為復(fù)雜，它不僅跟物體表面或內(nèi)部的幾何特性有關(guān)， 還與物體內(nèi)部媒質(zhì)的介電常數(shù)分布有關(guān)，因此難以像描述理想黑體那樣精確地描述實(shí)際物 體。物體的輻射特性主要用發(fā)射率參數(shù)進(jìn)行描述，一般來(lái)說(shuō)介電常數(shù)或?qū)щ娐试礁叩奈矬w， 其發(fā)射率越低，反射率則越高。
[0003] "毫米波對(duì)人體隱匿物品輻射成像研宄"（肖澤龍，南京理工大學(xué)博士學(xué)位論文， 2007)介紹了利用電波暗室中天線測(cè)試系統(tǒng)AV3635的收發(fā)組件及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備 對(duì)羊毛衫、滌綸布、棉外套、雨披、深藍(lán)布以及淺藍(lán)布等六種不同材質(zhì)、不同厚度的衣物進(jìn)行 毫米波透射率測(cè)試，獲取上述衣物在Ka波段及W波段的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是該測(cè)量方法僅 僅測(cè)量了不同材質(zhì)、不同厚度衣物的透射率，并未實(shí)現(xiàn)衣物的毫米波發(fā)射率的測(cè)量，且該方 法需在電波暗室中進(jìn)行，存在測(cè)試環(huán)境要求嚴(yán)格、成本高、操作復(fù)雜、繁瑣等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種纖維織物的毫米波輻射特性測(cè)量裝置及測(cè)量方法，解 決目前纖維織物材料輻射特性測(cè)量存在的方法復(fù)雜、測(cè)量設(shè)備及環(huán)境要求高、精度較低的 問(wèn)題。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種纖維織物毫米波輻射特性的測(cè)量裝置，包括 圓筒、毫米波輻射計(jì)、支撐架、長(zhǎng)方形框架、轉(zhuǎn)臺(tái)、支桿、伺服控制器、數(shù)據(jù)采集卡、溫度計(jì)和 計(jì)算機(jī)；
[0006] 所述圓筒和轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置在第一平面上，圓筒母線與第一平面垂直，圓筒頂部開(kāi)口，側(cè) 面內(nèi)壁鋪滿吸波材料；所述轉(zhuǎn)臺(tái)頂部與支桿的一端活動(dòng)連接，支桿的另一端與框架的中心 固定連接，所述長(zhǎng)方形框架由邊長(zhǎng)與圓筒直徑相等的三個(gè)正方形框架組成，三個(gè)正方形框 架均位于第二平面，所述第二平面與第一平面平行，且第二平面高于圓筒頂部平面，兩側(cè)的 正方形框架分別設(shè)置有吸波材料和纖維織物；所述伺服控制器的輸入端與計(jì)算機(jī)相連，輸 出端與轉(zhuǎn)臺(tái)相連，用于控制長(zhǎng)方形框架轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)正方形框架的中心點(diǎn)在第二平面轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu) 成圓形軌跡，所述圓筒中心在第二平面的投影位于該圓形軌跡上；
[0007] 所述支撐架設(shè)置在圓筒內(nèi)部，毫米波輻射計(jì)設(shè)置在支撐架上，毫米波輻射計(jì)的天 線正對(duì)圓筒頂部開(kāi)口，且天線頂部不高于圓筒頂部開(kāi)口所在平面；所述溫度計(jì)設(shè)置在毫米 波輻射計(jì)表面，用于測(cè)量圓筒內(nèi)部環(huán)境溫度；
[0008] 所述毫米波輻射計(jì)與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與計(jì)算機(jī)相 連，將采集的電壓信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。
[0009] 一種纖維織物毫米波輻射特性的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1、數(shù)據(jù)采集卡采集毫米波輻射計(jì)直流通道輸出電壓及交流通道輸出電壓， 得到纖維織物、吸波材料和天空分別處于圓筒的正上方時(shí)對(duì)應(yīng)的直流通道與交流通道電壓 比，溫度計(jì)測(cè)得環(huán)境物理溫度；
[0011] 步驟2、根據(jù)毫米波輻射計(jì)定標(biāo)方程確定天空亮溫及單層纖維織物亮溫；
[0012] 步驟3、根據(jù)能量守恒定理得到纖維織物的透射率；
[0013] 步驟4、單層纖維織物上增加材質(zhì)相同的一層纖維物，重復(fù)步驟1和步驟2,得到雙 層纖維織物輻射亮溫；
[0014] 步驟5、根據(jù)單層纖維織物亮溫和雙層纖維織物輻射亮溫確定纖維織物的反射率 和輻射率。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果為：
[0016] (1)本發(fā)明的測(cè)量裝置和測(cè)量方法無(wú)需在暗室中進(jìn)行測(cè)量，顯著降低了測(cè)量設(shè)備 和環(huán)境要求，操作簡(jiǎn)單方便，同時(shí)具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)；
[0017] (2)本發(fā)明的測(cè)量裝置和測(cè)量方法不僅可實(shí)現(xiàn)纖維織物的輻射特性測(cè)量，還可實(shí) 現(xiàn)纖維織物的反射、透射特性的測(cè)量；
[0018] (3)本發(fā)明的測(cè)量裝置和測(cè)量方法通過(guò)測(cè)量?jī)蓪永w維織物使得測(cè)量誤差分?jǐn)偟矫?一層，進(jìn)而提高了纖維織物輻射特性的測(cè)量精度。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明纖維織物毫米波輻射特性測(cè)量裝置一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2是圖1實(shí)施例中長(zhǎng)方形框架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖3是圖1實(shí)施例中毫米波輻射計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。
[0022] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的輻射計(jì)系統(tǒng)輸出測(cè)量數(shù)據(jù)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 當(dāng)電磁波照射纖維織物時(shí)，一部分電磁波被反射，一部分被吸收，另一部分被透 射，根據(jù)能量守恒定理，入射功率Wi的平衡條件是：
[0024] Wi=WP+Wa+ffT
[0025] 式中，Wp、Wa、WT分別表示反射功率、吸收功率和透射功率；
[0026] 將化歸一化可得：
[0029] 由基爾霍夫定律可知，物體的吸收率等于發(fā)射率，即a=e，因此在測(cè)量得到反 射率、透射率的基礎(chǔ)上可以由下式得到目標(biāo)的發(fā)射率：
[0030] ￡ = 1-P-t
[0031] 結(jié)合圖1，一種纖維織物毫米波輻射特性的測(cè)量裝置，包括長(zhǎng)方形框架1，吸波材 料2、5,纖維織物3,圓筒4,毫米波輻射計(jì)6,支撐架7,數(shù)據(jù)采集卡8,計(jì)算機(jī)9,支桿10,轉(zhuǎn) 臺(tái)11，伺服控制器12以及溫度計(jì)13 ;其中，支撐架采用高度可手動(dòng)調(diào)整的三腳架；
[0032]圓筒4和轉(zhuǎn)臺(tái)11均置于第一平面上，圓筒母線與第一平面垂直，圓筒頂部開(kāi)口，側(cè) 面內(nèi)壁鋪滿吸波材料5 ;所述轉(zhuǎn)臺(tái)11頂部與支桿10的一端活動(dòng)連接，支桿10的另一端與 長(zhǎng)方形框架1的中心固定連接；
[0033] 結(jié)合圖2,長(zhǎng)方形框架2由邊長(zhǎng)與圓筒4直徑相等的第一正方形框架1. 1、第二正 方形框架1. 2及第三正方形框架1. 3依次拼接而成，三個(gè)正方形框架均位于第二平面，第二 平面與第一平面平行，且第二平面高于圓筒頂部平面；其中第一正方形框架1. 1的四角各 裝有長(zhǎng)螺釘并配置墊片，實(shí)現(xiàn)單層或雙層纖維織物的固定，并可通過(guò)調(diào)節(jié)墊片厚度以調(diào)整 纖維織物各層之間的高度；第二正方形框架1. 2中心裝有一橫條1. 4,且長(zhǎng)方形框架1通過(guò) 橫條1. 4的中心定位孔使用螺釘實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)臺(tái)支桿之間的固定；第三正方形框架1. 3用于安 裝吸波材料2,安裝時(shí)吸波材料尖劈方向朝下。
[0034] 伺服控制器12的輸入端與計(jì)算機(jī)相連，輸出端與轉(zhuǎn)臺(tái)相連，用于控制長(zhǎng)方形框架 轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)正方形框架的中心點(diǎn)在第二平面轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成圓形軌跡，所述圓筒中心在第二平面 的投影位于該圓形軌跡上；
[0035] 支撐架7設(shè)置在圓筒內(nèi)部，毫米波輻射計(jì)6設(shè)置在支撐架上，毫米波輻射計(jì)6的天 線正對(duì)圓筒頂部開(kāi)口，且天線頂部不高于圓筒頂部開(kāi)口所在平面；所述溫度計(jì)設(shè)置在毫米 波輻射計(jì)表面，用于測(cè)量圓筒內(nèi)部環(huán)境溫度；
[0036] 毫米波福射計(jì)6與數(shù)據(jù)采集卡8的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡8的輸出端與計(jì)算機(jī) 9相連，將采集的電壓信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)9。
[0037] 結(jié)合圖3,毫米波輻射計(jì)6包括天線6.1、定向耦合器6.2、噪聲源6.3、噪聲源調(diào)制 器6.4、低噪聲放大器6.5、帶通濾波器6.6、平方律檢波器6.7、視頻放大器6.8、隔直電容 6. 9、同步檢波器6.10、第一積分器6.11和第二積分器6.12 ;
[0038] 定向親合器6. 2的第一輸入端與天線6. 1相連，第二輸入端與噪聲源6. 3的輸出 端連接，定向親合器6. 2的輸出端與低噪聲放大器6. 5的輸入端相連，低噪聲放大器6. 5的 輸出端經(jīng)帶通濾波器6. 6后與平方律檢波器6. 7的輸入端相連，平方律檢波器6. 7的輸出 端分為直流、交流兩個(gè)通道，其中直流通道經(jīng)視頻放大器6. 8將視頻信號(hào)放大后再通過(guò)第 一積分器6. 11輸出直流通道信號(hào)；交流通道經(jīng)隔直電容6. 9實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔直并輸入到同步 檢波器6. 10,同步檢波器6. 10的輸出端與視頻放大器6. 8連接，放大后的視頻信號(hào)經(jīng)第二 積分器6. 12輸出交流通道信號(hào)；噪聲源調(diào)制器6. 4用于產(chǎn)生噪聲調(diào)制信號(hào)，分別與噪聲源 6. 3、同步檢波器6. 10的輸入端相連。
[0039] 毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)工作時(shí)，天線接收目標(biāo)的熱輻射信號(hào)通過(guò)定向耦合器6. 2實(shí)現(xiàn) 與受調(diào)制器調(diào)制的固態(tài)噪聲源注入噪聲的疊加。低噪聲放大器6. 5將疊加后的信號(hào)進(jìn)行放 大，其噪聲系數(shù)決定了整個(gè)輻射計(jì)的系統(tǒng)噪聲及系統(tǒng)靈敏度。帶通濾波器6. 6的帶寬決定 了輻射計(jì)系統(tǒng)帶寬。直流通道、交流通道信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡8完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，交由計(jì)算機(jī) 9實(shí)現(xiàn)纖維織物的輻射特性測(cè)量反演。
[0040] 基于該輻射特性測(cè)量裝置的纖維織物輻射特性測(cè)量方法，包括下述步驟：
[0041] 步驟1、伺服控制器控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)并帶動(dòng)支桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使得長(zhǎng)方形框架上的纖維 織物、吸波材料和天空分別處于圓筒的正上方，利用數(shù)據(jù)采集卡采集毫米波輻射計(jì)直流通 道輸出電壓及交流通道輸出電壓，并得到纖維織物、吸波材料和天空三種情況下對(duì)應(yīng)的直 流通道與交流通道電壓比分別為kt、&和k s;溫度計(jì)測(cè)量得到的環(huán)境物理溫度為T(mén) ^
[0042] 步驟2、根據(jù)毫米波輻射計(jì)定標(biāo)方程
[0043] Tx= a(kx-k〇)+T〇 (1)
[0044] 式中，a為毫米波輻射計(jì)定標(biāo)常數(shù)，分別為待測(cè)目標(biāo)、吸波材料的直流通道與 交流通道輸出電壓比，1；為待測(cè)目標(biāo)亮溫，將k s、kt代入上式得到天空亮溫T s及單層纖維織 物亮溫Tts;
[0045] 步驟3、設(shè)待測(cè)纖維織物透射率為t，反射率為p，輻射率