微波遥感中的介电常数

微波遥感中的介电常数2010-07-10介电常数的作用FresnelformulaRTtheoryRayleighandMietheory介电常数的作用波动方程定义 介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m)

定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C／m^2)。

某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr

，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数，εr与电极化率χe的关系为εr＝(1＋χ)e。真空介电常数：ε0=8.854187817×10^-12F/m介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(permittivity),如果有高相对介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。

"介电常数"（绝对介电常数ε）定义2:电容器极板间充满电介质时,电容增大的倍数叫做电介质的介电常数,用ε表示并且明确其单位是F·m-1(定义).电导率的物理意义是表示物质导电的性能。电导率越大则导电性能越强，反之越小。另外，不少人将电导跟电导率混淆：电导是电阻的倒数，电导率是电阻率的倒数。介电常数的产生电子极化离子极化取向极化界面极化原子极化E球面场D真空介质复介电常数的产生交变电场内电场跟不上外加电场变化，出现相位差。电磁波能量出现损耗，引入介电常数虚部，用以表示损耗土壤介电常数土壤混合物的介电常数一般受下列因素影响：1）频率、温度和盐度；2）总体积含水量；3）自由水和束缚水的相对分量，其影响单位体积下土壤表面积；4）土壤容重；5）土壤颗粒形状；6）水分子夹杂物（waterinclusion）的形状(Dobsonetal.,1985；Ulaby

etal.,1981-1986)。植被介电常数植被介电常数是一张量，其分量与入射场方向相对于组成部分各介质体的方向有关。在植被层中，有些介质体如叶子是任意指向的，而茎在特定方向（竖直方向）上。因此问题可简化为两个标量植被介电常数：一个与垂直极化波有关，另一个与水平极化波有关，每一个量都是波与垂直方向（树干方向）所组成的夹角的函数(Ulbay等，1984；王丽巍，1995)。植被介电常数研究植被植物干植物自由水结合水空气植物体介电常数

将各种干植物材料的介电常数测量结果当作植物体介电常数，得到：1.5≤≤2.0，≤0.1(Ulaby等，1987)，这些值适用频率：0.5≤f≤20GHz，T=22℃。可以看出，植物体材料介电常数与频率无关，也有人认为也与温度无关。自由水介电常数 自由水的介电特性与液态水相同。因为植被中的自由水含有溶解性的盐，一般将植物中的自由水作为盐水处理。盐水介电常数公式由Debye公式给出，与海水Debye公式相同：

下表sw代表盐水，为盐水的离子电导率，单位是mho/m。是描绘松弛时间分布的经验函数，其值在（0,1）之间。Grant等（1957）得到α=0.02±0.007，通常取0值。盐水的介电常数与温度以及含盐量的关系主要体现在它们对以及的影响上。一般认为与温度、含盐量无关，可取常值4.9。、

以及

Ho等用谐振腔方法在1.43GHz和2.653GHz频率对海水进行测量，测量盐水盐度为：15‰≤S≤36‰，温度范围：5℃≤T≤25℃。Klein和Swift总结了Ho的测量结果得出：Stogryn最早得到的与温度及含盐量的关系为：其中N为当量浓度自由水介电常数Klein和Swift(1977)在给出当量浓度与盐度关系的基础之上，对上式进行修改，得到表达式：N与S的关系为：A为可调整的系数自由水介电常数根据Stogryn(1971)给出的盐水静态介电常数、松弛时间与温度和含盐量的关系。粒子电导率与盐度S的关系为：因此在盐度S≤10‰，温度T=22℃的情况下，自由水的介电常数可写作：结合水介电常数由于水的松弛频率在微波波段，因此水的介电常数在此波段内受到频率的强烈影响。而且水的介电常数受到温度的云南贡献也主要由于松弛频率随温度的迅速变化所致。例如：0℃时水的松弛频率为9GHz，20℃时变为17GHz。因此，水的松弛评论对水介电常数影响至关重要。松弛时间由水分子与环境的相互作用和温度决定。一般认为水分子在受到非电磁力作用时，它对施加电场的响应就受到这些力的阻碍。这些力具有与增加松弛时间相同的效果。因此结合水分子的松弛渐渐大于自由水分子的松弛时间。也就是说，结合水的松弛频率显著低于自由水的松弛频率。结合水介电常数为获取结合水介电常数的实测数据。Ulaby等选择蔗糖溶液作为测量对象通过在频率为0.1-20GHz，室温22℃条件下的测量，得到蔗糖水溶液在不同频率下的介电常数测量结果符合具有松弛分布的Cole-Cole曲线，曲线上每一点对应着不同频率。根据测量结果得出结合水的介电常数公式为：与实测结合水介电常数拟合得到公式的参数，=2.9，

=57.9，=0.18GHz，=0.5。由此可见，Debye公式的参数对于自由水和结合水显著不同，结合水松弛频率比自由水低2个数量级，结合水的松弛参数=0.5，自由水的松弛参数=0植物物质的介电常数植物可以看作是由植物体、结合水、自由水散射组成的混合物，其介电常数公式为：将自由水、结合水介电常数代入上式，得到室温T=22℃时的植物介电常数公式为：一般将上式称作植物的Debye-Cole双频散模型（Ulaby等，1987）植物物质的介电常数但模型中自由水和结合水的体积含水量很难确定。Ulaby等（1984）对玉米、大豆叶子进行了广泛的测量，测量的湿度范围是从重量含水量的0.04-0.68。频率范围是0.5-20.4GHz。根据测量结果与上式相互比较，得到了如下的模型参数与重量含水量的关系。植物物质介电常数此外，植物介电常数模型还有（Ulaby等，1984）：1)将植物看做是由植物体、空气和任意指向针形水内含物组成的三相混合模型2）将植物看做由植物体、空气、自由水、结合水四部分组成的四相混合模型。3）将植物看作由干植物与盐水组成的两相混合物，应用混合物折射模型公式。植被介电常数应用两相混合物折射模型，植被介电常数可