基于L波段微波谐振腔分析盐碱土壤介电特性的研究

宋自影 李荣荣 牛磊

(河南城建学院,河南 平顶山 467036)

基于L波段微波谐振腔分析盐碱土壤介电特性的研究

宋自影 李荣荣 牛磊

(河南城建学院,河南 平顶山 467036)

本文利用谐振腔微扰技术在微波L波段对低盐土壤的介电常数进行了测量。通过测量实验室制备的不同含盐量以及四种阳离子组分的土壤样品的介电常数,研究介电常数实部和虚部与盐度、温度、盐组分的关系,得出结论:介电常数实部和虚部均随温度升高而增大,随着含盐量的增加,其虚部受温度影响变大;实部与含盐量及其种类无明显相关性,虚部与含盐量呈现曲线关系,并与盐种类存在相关性。在实验测量数据基础上,预测了被动微波遥感对盐碱土特性的识别能力,结果表明:利用微波辐射计能够有效地分辨低盐土壤含盐量的变化,并且在土壤盐度大于5‰的情况下,利用多波段微波辐射计可实现分辨土壤盐种类的分析,这为利用微波遥感进行土壤盐碱化程度监测,提供了一定的参考。

谐振;L波段;离子;土壤盐度

土壤盐碱化是目前世界上面临的一个严重问题。我国盐碱土面积大、分布广、种类多［1一3］,严重影响农业生态的发展,同时也会对建筑物产生严重腐蚀,尤其是处于盐碱地区域道路上的桥梁结构和交通附属设施等,增加交通安全隐患,这些隐患严重制约盐碱地区域内的经济发展和群众的日常生产生活的需要。研究利用微波辐射计监测土壤盐分,对于大面积动态监测盐碱土壤的含盐量及类型,认识土壤盐渍化的过程与土壤防护及对道路交通建筑物的腐蚀程度等具有重大意义。

由于介电常数是微波遥感反演目标特性的重要电参数,因此,国内外学者对土壤的介电常数进行了大量的研究。Wobschall从理论上研究了含水土壤的介电常数,得出了相应的半分散模型［4］。Topp等人在大量实验的基础上总结出土壤介电常数与体积含水量的经验关系式［5］。Ulaby等人在实验室测量了不同微波频率下沃土介电常数随土壤湿度的变化关系以及不同土壤介电常数随频率的变化关系［6一7］。Wang等人给出了可调整的与频率、温度有关的精细土壤介电常数模型,并且给出了土壤介电常数和含水量的经验模型。Roth等人在介质介电混合定律模型的理论基础上,把土壤中液、固、气三相的体积分数与介电常数进行加权平均来表达土壤的介电常数［8］。Dobson发展了土壤介电常数的半经验模型,该模型描述了土壤含水量、土壤孔隙度、土壤质地等参数与介电常数的关系,在无盐土壤的微波遥感研究中得到了广泛的应用。

与无盐土壤相比,盐碱土壤的微波介电特性更为复杂,尤其是含水量的不同。土壤中游离的导电离子数不同,且不同的组份游离的导电离子特性也不相同,影响了介质内电场的分布。迄今为止,Carver通过已采用的土壤一水介电模型强调了土壤盐度对介电常数的影响。K.Sreenivas等人分析了L波段复介电常数与含盐量的关系,得到了介电常数实部主要依赖于含水量,而虚部依赖于含盐量的重要结论。邵云等人利用矢量网络分析仪,采用同轴线传输/反射测量技术,对含水的较高含盐土壤进行了测量,研究了带有经验系数的土壤可测参数(含盐量、含水量)等与土壤介电常数虚部的关系。在L波段,当其他条件(含水量,土壤质地等)一致的情况下,给出了土壤含盐量与介电常数的线性关系式。

但是,对于低盐土壤来说,使用线性关系式计算土壤介电常数与实际的测量值相比存在较大误差,且无法反映不同组分对介电常数的影响。为了更准确地利用L波段微波辐射计监测土壤含盐量的灵敏度,本文在实验室条件下,制备了含有不同种类阳离子(Na+、K+、Ca2+和Mg2+)和不同浓度的Cl一盐土壤样品,利用L波段圆柱形微波谐振腔微扰法,精确地测量了低盐(0～6‰)土壤样品的微波介电常数,建立低盐土壤含盐量与介电常数的拟合关系式。最后,通过菲涅尔反射定律和微波辐射亮度温度等相关公式,在不考虑土壤粗糙度的情况下,计算得到了光滑盐碱地表微波辐射亮度温度与不同阳离子土壤含盐量的关系。从而可精确地估计利用L波段微波辐射计监测盐碱土壤盐分含量及其分辨不同盐分的能力。

1 测量设备与标定

微波介电常数的测量有许多方法,相对于其他测量方法来说,谐振腔微扰技术可更为准确的测量物质介电常数。20世纪70年代,Ho等人利用TM010模圆柱谐振腔在2.653GHz和1.43GHz频点上分别对NaCI水溶液和海水的介电常数进行了准确测量,建立起了NaCI溶液和海水介电常数与温度T和盐度S的精确关系式。然而,对于高损耗样品来说,由于TM010模圆柱谐振腔其中心线处的电场最强,因此需要样品管径较小时才能满足微扰条件,不利于盐碱土样品的测试。TE011模圆柱谐振腔中心轴线处的电场最弱,可允许插入较大直径和较大损耗的圆柱样品。本文的测量采用了这种测量方案。当被测样品管沿着圆柱谐振腔的中心轴线插入到谐振腔内时,根据电磁场微扰理论,被测样品的介电常数与腔体的谐振频率和品质因数存在如下关系：

其中B=J12(3.832b/a)一j0(3.832b/a)·j2(3.832b/a),j0、J1、j2分别为第一类零阶、一阶和二阶Bessel函数。这里, a=150mm为圆柱腔体的内半径,b=5mm为样品管的内半径；f0=1.43GHz、Q0=16400分别是测量得到的空腔谐振频率和无载品质因数,f1、Q1分别是放入样品后的谐振频率和有载品质因数。

谐振腔测量需要用标准溶液对测量系统进行标定。标准溶液可采用蒸馏水配制的盐度S=0、5、10、15、25、30、35(‰)的7种浓度的NaCl溶液,并利用Strogyn等人得到的经验公式,计算室温下NaCl水溶液的相对介电常数ε′Nacl和ε′Nacl,作为分析谐振腔系统的标准溶液值。将NaCl标准溶液装入样品管分别测量得到谐振频率f1和品质因数Q1。利用式(1)和(2)计算得到标准溶液的测量值ε′r和ε′r。经过标准溶液的定标分析,上述TE011模圆柱谐振腔的测量介电常数的精度：实部相对误差为0.4%,虚部相对误差为2.9%。

2 样品制备与测量

实验中选用的原始盐碱土样是2013年6月份采自河南开封黄河沿岸平原地区。经测试分析,其八大离子含量见表1。样品的配制：将采集回来的土样充分粉碎,用孔径为0.5mm的分样筛筛选后进行干燥；在NaCl、KCl、CaCI2和MgCl2四种盐Cl离子摩尔浓度相等的基础上,配制四种盐的水溶液；分别取等量22g干燥后的土样放入PTFE试管中墩实,至土壤的容重为1.49g/cm3,然后各加入配制好的盐溶液,溶液总量为5.5g,密封保存120h,使得土样与盐溶液充分混合,此时土壤的体积含水量为37.25%。

表1 原始土样盐组分

将配制好的土壤样品利用微波谐振腔测量系统进行测量。由于谐振腔的测量结果受到环境温度的影响很大,所以在测量时要尽量保持测量系统环境的基本稳定。同时,为了消除由于环境温度的微小漂移带来的系统误差,测量时可根据样品的盐浓度,由小到大,再由大到小的顺序测量,如此反复10次,最后取平均值作为最终测量结果；并且在样品测量的过程中,按照一定的样品间隔插入NaCI标准溶液样品,以此对测量结果进行校正,从而保证测量精度。

为了消除由于有机玻璃样品管等对测量引起的系统误差,提高测量的精确度,实际测量采用相对测量方法。相对测量方法是指利用已知介电常数的样品作为参考样品,通常选取蒸馏水作为参考样品,通过分别测量比较待测样品和已知样品的谐振腔的频率和品质因数偏移,获得待测样品介电常数的一种方法。

3 测量结果

3.1 介电常数与含盐量的关系

图1是样品在两个温度下(27。和22。)的所有样品相对介电常数随含盐量变化的测量结果。该结果表明,当含水量一定时,实部的变化与含盐量的变化并没有明显的相关性,并且与盐的种类也没有明显的依赖性,但受温度的影响较大。在样品温度为27℃时,实部测量值的范围为19～21,标准差为0.57；在样品温度为22℃时,实部测量值的范围为16～18,标准差为0.58。介电常数的虚部与含盐量的变化具有明显的相关性,即随着含盐量的增加虚部值增大。从图中也可以看出,温度对介电常数虚部也有影响,温度越高虚部值越大,温度对介电常数虚部的影响,随着含盐量的增大而增加,也即含盐量越大的情况下,受温度的影响越大。这些测量结果表明在微波低频波段,土壤湿度不变的情况下,介电常数的实部与含盐量不存在明显的相关性；而介电常数虚部与含盐量存在明显的相关性。

图1 介电常数与含盐量的测量结果(a)实部;(b)虚部

3.2 组分特征与介电常数的关系

根据测量结果,土壤样品中阳离子种类不同,测量得到的介电常数虚部存在明显差异。图2为四组阳离子不同阴离子相同的土壤样品介电常数虚部与含盐量关系。图2中a,b,c,d分别代表加入NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2溶液的样品。从图中可以看出,对于每一组样品,介电常数虚部与含盐量基本呈现曲线关系。

图2 不同盐组分介电常数虚部与含盐量关系

实验中氯离子摩尔浓度是一致的,也即对应样品的Na盐和K盐离子浓度相同,Mg盐和Ca盐离子浓度相同。介电常数虚部与电导率的关系是正比关系,我们测得的介电常数虚部值,Na盐要比K盐高,Mg盐相对比Ca盐高,这说明,虽然土壤样品的含盐量一致,但土壤中的盐组分的不同,土壤中游离的导电离子数也就不同,不同的组分其游离的导电离子特性也就不相同。不同盐组份间虚部存在差异,20℃时NaCl,KCl,MgCl2,CaCl2四种盐溶解度分别为36,34,74,64.7,溶解度的不同,使得相同含水量下,土壤中的游离离子存在差异,也是造成虚部差异的原因之一。这反映了盐碱土壤的微波介电特性随着盐类的不同而呈现更为复杂的一面。

4 亮度温度分析

微波辐射亮度温度是被动微波遥感地物目标的物理量,表征了地物目标的特性,对于光滑表面介质,根据Fresnel反射公式得到垂直入射情况下的发射率为：

e是目标物质介电常数。微波辐射亮度温度,是观测目标的物理温度与其辐射率的乘积,其公式如下：

其中,T为目标的物理温度,单位为K。

图3 亮度温度与含盐量的关系

将测量的四组盐碱土壤样品介电常数数据代入到上述关系式计算得到如图3所示的亮度温度随土壤含盐量变化的关系图。由图中可以看到：随着土壤盐分的增高,土壤的微波辐射亮度温度呈现剧烈的下降趋势,并且在含盐量大于5‰的情况下,四种盐的亮度温度出现明显的不同。如果L波段的微波辐射计的灵敏度为0.1K,那么经计算,微波辐射计可分辨土壤中四种盐类的最小量分别是：NaCI为0.3‰,KCI为0.56‰,CaCI2为0.25‰和MgCI2为0.13‰。如果含盐量大于5‰时,利用0.1K的L波段的微波辐射计可分辨出四种不同的盐类土壤。

5 结语

由土壤辐射的微波亮度温度以及辐射计检测到的最小含盐量的分析结果可以看出,利用给出的高盐度土壤的线性关系式是无法准确给出上述分析结果的,这就是为什么利用谐振腔微扰技术测量低盐土壤的介电常数的重要依据。根据测量结果,实验室制备的四种较低含盐量土壤样品的介电常数具有如下特性：(1)介电常数是温度的函数,实部和虚部均随温度的升高而变大,虚部随含盐量的增大,受温度影响变大；(2)介电常数的实部与含盐量及其种类无明显相关性,虚部与含盐量呈曲线关系,而且不同种类的盐,出现明显的差异。

经过土壤的微波辐射亮度温度的分析,随着土壤含盐量的变化,土壤的微波辐射亮度温度呈现剧烈的下降趋势,因此,利用微波辐射计来监测土壤含盐量是可行的。在含盐量大于5‰的情况下,四种盐的亮度温度出现明显的不同,因此在多波段微波辐射计共同测量的情况下,可实现分辨盐土盐种类的监测。

本文只针对低盐土壤中的四种阳离子种类进行了介电常数测量,目的是对于阴离子盐组分、含水量等因素对介电常数影响的研究奠定基础。显然,上述微波辐射亮度温度的分析是在不考虑土壤粗糙度的理想情况下得到的。因此,要想实现微波辐射计对盐碱土壤盐含量和种类的被动微波遥感监测,必须得到低盐土壤含盐量及其各种盐种类、土壤湿度以及土壤温度等更为普遍的关系表达式。

［1］孙玉龙,郝振纯.1997,土壤电导率及土壤溶液电导率与土壤水分之间的关系［J］.河海大学学报,25(6):69一73.

［2］Sun Yulong,Hao Zhenchun.Relationship between conductivity of soil and soil solution and soil moisture［J］.Journal of Hohai University,1977,25(6):69一73.

［3］蔡阿兴,陈章英.我国不同盐渍地区盐分含量与电导率的关系［J］.土壤,1997,29(1):54一57.

［4］Cai Axing,Chen Zhangying,et al.Relationship between salt content and conductivity in different saline areas of China［J］. Soil,1997,29(1):54一57.

［5］张瑜斌,邓爱英.潮间带土壤盐度与电导率的关系［J］.生态环境,2003,12(2):164一165.

［6］Zhang Yubin,Deng Aying.Relation between soil salinity in intertidal zone and electric conductivity(In Chinese)［J］. Ecological Environment,2003,12(2):164一165.

［7］Wobschall D.A Theory of the Complex Dielectric Permittivity of Soil Containing Water一the Semi一disperse Model, IEEE［J］.Trans.Geosci.Electron,15(1):29一58.

［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

国家自然基金青年基金(No.41501440)。

宋自影(1988一),女,硕士,助教,研究方向:地理信息系统。