微波遙感中的介電常數(shù)2010-07-10介電常數(shù)的作用FresnelformulaRTtheoryRayleighandMietheory介電常數(shù)的作用波動(dòng)方程定義 介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)，介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，以字母ε表示，單位為法/米(F/m)

定義為電位移D和電場(chǎng)強(qiáng)度E之比，ε=D/Ε。電位移D的單位是庫(kù)/二次方米(C／m^2)。

某種電介質(zhì)的介電常數(shù)ε與真空介電常數(shù)ε0之比稱為該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr

，εr＝ε／ε0是無(wú)量綱的純數(shù)，εr與電極化率χe的關(guān)系為εr＝(1＋χ)e。真空介電常數(shù)：ε0=8.854187817×10^-12F/m介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)(真空中)與最終介質(zhì)中電場(chǎng)比值即為相對(duì)介電常數(shù)(permittivity),如果有高相對(duì)介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中，場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。

"介電常數(shù)"（絕對(duì)介電常數(shù)ε）定義2:電容器極板間充滿電介質(zhì)時(shí),電容增大的倍數(shù)叫做電介質(zhì)的介電常數(shù),用ε表示并且明確其單位是F·m-1(定義).電導(dǎo)率的物理意義是表示物質(zhì)導(dǎo)電的性能。電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電性能越強(qiáng)，反之越小。另外，不少人將電導(dǎo)跟電導(dǎo)率混淆：電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。介電常數(shù)的產(chǎn)生電子極化離子極化取向極化界面極化原子極化E球面場(chǎng)D真空介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的產(chǎn)生交變電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)跟不上外加電場(chǎng)變化，出現(xiàn)相位差。電磁波能量出現(xiàn)損耗，引入介電常數(shù)虛部，用以表示損耗土壤介電常數(shù)土壤混合物的介電常數(shù)一般受下列因素影響：1）頻率、溫度和鹽度；2）總體積含水量；3）自由水和束縛水的相對(duì)分量，其影響單位體積下土壤表面積；4）土壤容重；5）土壤顆粒形狀；6）水分子夾雜物（waterinclusion）的形狀(Dobsonetal.,1985；Ulaby

etal.,1981-1986)。植被介電常數(shù)植被介電常數(shù)是一張量，其分量與入射場(chǎng)方向相對(duì)于組成部分各介質(zhì)體的方向有關(guān)。在植被層中，有些介質(zhì)體如葉子是任意指向的，而莖在特定方向（豎直方向）上。因此問(wèn)題可簡(jiǎn)化為兩個(gè)標(biāo)量植被介電常數(shù)：一個(gè)與垂直極化波有關(guān)，另一個(gè)與水平極化波有關(guān)，每一個(gè)量都是波與垂直方向（樹(shù)干方向）所組成的夾角的函數(shù)(Ulbay等，1984；王麗巍，1995)。植被介電常數(shù)研究植被植物干植物自由水結(jié)合水空氣植物體介電常數(shù)

將各種干植物材料的介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果當(dāng)作植物體介電常數(shù)，得到：1.5≤≤2.0，≤0.1(Ulaby等，1987)，這些值適用頻率：0.5≤f≤20GHz，T=22℃?？梢钥闯觯参矬w材料介電常數(shù)與頻率無(wú)關(guān)，也有人認(rèn)為也與溫度無(wú)關(guān)。自由水介電常數(shù) 自由水的介電特性與液態(tài)水相同。因?yàn)橹脖恢械淖杂伤腥芙庑缘柠}，一般將植物中的自由水作為鹽水處理。鹽水介電常數(shù)公式由Debye公式給出，與海水Debye公式相同：

下表sw代表鹽水，為鹽水的離子電導(dǎo)率，單位是mho/m。是描繪松弛時(shí)間分布的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，其值在（0,1）之間。Grant等（1957）得到α=0.02±0.007，通常取0值。鹽水的介電常數(shù)與溫度以及含鹽量的關(guān)系主要體現(xiàn)在它們對(duì)以及的影響上。一般認(rèn)為與溫度、含鹽量無(wú)關(guān)，可取常值4.9。、

以及

Ho等用諧振腔方法在1.43GHz和2.653GHz頻率對(duì)海水進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量鹽水鹽度為：15‰≤S≤36‰，溫度范圍：5℃≤T≤25℃。Klein和Swift總結(jié)了Ho的測(cè)量結(jié)果得出：Stogryn最早得到的與溫度及含鹽量的關(guān)系為：其中N為當(dāng)量濃度自由水介電常數(shù)Klein和Swift(1977)在給出當(dāng)量濃度與鹽度關(guān)系的基礎(chǔ)之上，對(duì)上式進(jìn)行修改，得到表達(dá)式：N與S的關(guān)系為：A為可調(diào)整的系數(shù)自由水介電常數(shù)根據(jù)Stogryn(1971)給出的鹽水靜態(tài)介電常數(shù)、松弛時(shí)間與溫度和含鹽量的關(guān)系。粒子電導(dǎo)率與鹽度S的關(guān)系為：因此在鹽度S≤10‰，溫度T=22℃的情況下，自由水的介電常數(shù)可寫(xiě)作：結(jié)合水介電常數(shù)由于水的松弛頻率在微波波段，因此水的介電常數(shù)在此波段內(nèi)受到頻率的強(qiáng)烈影響。而且水的介電常數(shù)受到溫度的云南貢獻(xiàn)也主要由于松弛頻率隨溫度的迅速變化所致。例如：0℃時(shí)水的松弛頻率為9GHz，20℃時(shí)變?yōu)?7GHz。因此，水的松弛評(píng)論對(duì)水介電常數(shù)影響至關(guān)重要。松弛時(shí)間由水分子與環(huán)境的相互作用和溫度決定。一般認(rèn)為水分子在受到非電磁力作用時(shí)，它對(duì)施加電場(chǎng)的響應(yīng)就受到這些力的阻礙。這些力具有與增加松弛時(shí)間相同的效果。因此結(jié)合水分子的松弛漸漸大于自由水分子的松弛時(shí)間。也就是說(shuō)，結(jié)合水的松弛頻率顯著低于自由水的松弛頻率。結(jié)合水介電常數(shù)為獲取結(jié)合水介電常數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。Ulaby等選擇蔗糖溶液作為測(cè)量對(duì)象通過(guò)在頻率為0.1-20GHz，室溫22℃條件下的測(cè)量，得到蔗糖水溶液在不同頻率下的介電常數(shù)測(cè)量結(jié)果符合具有松弛分布的Cole-Cole曲線，曲線上每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同頻率。根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出結(jié)合水的介電常數(shù)公式為：與實(shí)測(cè)結(jié)合水介電常數(shù)擬合得到公式的參數(shù)，=2.9，

=57.9，=0.18GHz，=0.5。由此可見(jiàn)，Debye公式的參數(shù)對(duì)于自由水和結(jié)合水顯著不同，結(jié)合水松弛頻率比自由水低2個(gè)數(shù)量級(jí)，結(jié)合水的松弛參數(shù)=0.5，自由水的松弛參數(shù)=0植物物質(zhì)的介電常數(shù)植物可以看作是由植物體、結(jié)合水、自由水散射組成的混合物，其介電常數(shù)公式為：將自由水、結(jié)合水介電常數(shù)代入上式，得到室溫T=22℃時(shí)的植物介電常數(shù)公式為：一般將上式稱作植物的Debye-Cole雙頻散模型（Ulaby等，1987）植物物質(zhì)的介電常數(shù)但模型中自由水和結(jié)合水的體積含水量很難確定。Ulaby等（1984）對(duì)玉米、大豆葉子進(jìn)行了廣泛的測(cè)量，測(cè)量的濕度范圍是從重量含水量的0.04-0.68。頻率范圍是0.5-20.4GHz。根據(jù)測(cè)量結(jié)果與上式相互比較，得到了如下的模型參數(shù)與重量含水量的關(guān)系。植物物質(zhì)介電常數(shù)此外，植物介電常數(shù)模型還有（Ulaby等，1984）：1)將植物看做是由植物體、空氣和任意指向針形水內(nèi)含物組成的三相混合模型2）將植物看做由植物體、空氣、自由水、結(jié)合水四部分組成的四相混合模型。3）將植物看作由干植物與鹽水組成的兩相混合物，應(yīng)用混合物折射模型公式。植被介電常數(shù)應(yīng)用兩相混合物折射模型，植被介電常數(shù)可