earthSurfacePermittivity

Проницаемость и проводимость наземных материалов поверхности

Описание

earthSurfacePermittivity функция вычисляет электрические характеристики (относительная проницаемость, проводимость и комплексная относительная проницаемость) наземных материалов поверхности на основе методов и уравнений, представленных в ITU-R P.527 [1]. earthSurfacePermittivity функция обеспечивает различные синтаксисы с учетом характеристик, релевантных заданному поверхностному материалу.

пример

[epsilon,sigma,complexepsilon] = earthSurfacePermittivity('pure-water',fc,temp) вычисляет электрические характеристики для чистой воды на заданной частоте и температуре. Для чистой воды температурная установка должна быть больше 0 ℃.

пример

[epsilon,sigma,complexepsilon] = earthSurfacePermittivity('dry-ice',fc,temp) вычисляет электрические характеристики для сухого льда на заданной частоте и температуре. Для сухого льда температура должна быть меньше чем или равна 0 ℃.

пример

[epsilon,sigma,complexepsilon] = earthSurfacePermittivity('sea-water',fc,temp,salinity) вычисляет электрические характеристики для морской воды на заданной частоте, температуре и солености. Для морской воды температура должна быть больше –2 ℃.

пример

[epsilon,sigma,complexepsilon] = earthSurfacePermittivity('wet-ice',fc,liqfrac) вычисляет электрические характеристики для влажного льда на заданной частоте и жидкую водную часть объема. Для влажного льда температура является 0 ℃.

[epsilon,sigma,complexepsilon] = earthSurfacePermittivity('soil',fc,temp,sandpercent,claypercent,specificgravity,vwc) вычисляет электрические характеристики для почвы на заданной частоте, температуре, проценте песка, глиняном проценте, удельной массе и объемном содержании воды.

пример

[epsilon,sigma,complexepsilon] = earthSurfacePermittivity('soil',___,bulkdensity) устанавливает плотность объема почвы в дополнение к входным параметрам от предыдущего синтаксиса.

пример

[epsilon,sigma,complexepsilon] = earthSurfacePermittivity('vegetation',fc,temp,gwc) вычисляет электрические характеристики для растительности на заданной частоте, температуре и гравиметрическом содержании воды. Для растительности температура должна быть больше или быть равна –20 ℃.

Примеры

свернуть все

Сравните относительную проницаемость и проводимость для не содержащий соли (нулевая соленость) морская вода к чистой воде.

Задайте несущую частоту 9 ГГц, температуру 30 ℃ и соленость нуля.

fc = 9e9; % Carrier frequency in Hz.
temp = 30;
salinity = 0;

Вычислите относительную проницаемость и проводимость.

[epsilon_pure_water,sigma_pure_water] = earthSurfacePermittivity('pure-water',fc,temp);
[epsilon_sea_water,sigma_sea_water] = earthSurfacePermittivity('sea-water',fc,temp,salinity);

Подтвердите, что морская вода не содержащий соли и чистая вода имеют равную относительную проницаемость и проводимость.

isequal(epsilon_pure_water,epsilon_sea_water)
ans = logical
   1

isequal(sigma_pure_water,sigma_sea_water)
ans = logical
   1

Сравните относительную проницаемость и проводимость для влажного льда без жидкой воды к сухому льду в 0 ℃. Подтвердите, что результаты отличаются незначительной суммой.

Задайте несущую частоту 12 ГГц.

fc = 12e9; % Carrier frequency in Hz.

Вычислите относительную проницаемость и проводимость для влажного льда с нулевой жидкой водой по объему.

liqfrac = 0;
[epsilon_wet_ice_0,sigma_wet_ice_0] = earthSurfacePermittivity('wet-ice',fc,liqfrac); % Set liquid water volume fraction to 0.

Вычислите относительную проницаемость и проводимость для сухого льда в 0 ℃.

temp = 0;
[epsilon_dry_ice_0,sigma_dry_ice_0] = earthSurfacePermittivity('dry-ice',fc,temp); % Set temperature to 0.

Сравните относительную проницаемость и проводимость для влажного льда без жидкости к сухому льду в 0 ℃. Подтвердите, что влажный лед без жидкого и сухого льда в 0 ℃ имеет чрезвычайно равную относительную проницаемость и проводимость.

epsilon_wet_ice_0-epsilon_dry_ice_0
ans = 8.8818e-16
sigma_wet_ice_0-sigma_dry_ice_0
ans = -9.2179e-16

Постройте проницаемость и проводимость по сравнению с частотой для сухого льда и для влажного льда. Для сухого льда варьируйтесь температура. Для влажного льда варьируйтесь жидкая водная часть объема. Вычислите проницаемость и значения проводимости при помощи arrayfun применять earthSurfacePermittivity функционируйте к элементам выстраиваемых входных параметров.

freq = repmat([0.1,10,20,40,60]*1e9,6,1);
temp = repmat((-100:20:0)',1,5);
liqfrac = repmat((0:0.2:1)',1,5);
[epsilon_dry_ice, sigma_dry_ice] = arrayfun(@(x,y)earthSurfacePermittivity('dry-ice',x,y),freq,temp);
[epsilon_wet_ice, sigma_wet_ice] = arrayfun(@(x,y)earthSurfacePermittivity('wet-ice',x,y),freq,liqfrac);

Отобразите размещенные рядом объемные поверхностные диаграммы через заданные области.

figure
tiledlayout(2,2)
nexttile
surf(temp,freq,epsilon_dry_ice,'FaceColor','interp')
title('Permittivity of Dry Ice')
xlabel('Temperature (℃)')
ylabel('Frequency (Hz)')
nexttile
surf(temp,freq,sigma_dry_ice,'FaceColor','interp')
title('Conductivity of Dry Ice')
nexttile
surf(liqfrac,freq,epsilon_wet_ice,'FaceColor','interp')
title('Permittivity of Wet Ice')
xlabel('Liquid Fraction')
ylabel('Frequency (Hz)')
nexttile
surf(liqfrac,freq,sigma_wet_ice,'FaceColor','interp')
title('Conductivity of Wet Ice')

Figure contains 4 axes objects. Axes object 1 with title Permittivity of Dry Ice contains an object of type surface. Axes object 2 with title Conductivity of Dry Ice contains an object of type surface. Axes object 3 with title Permittivity of Wet Ice contains an object of type surface. Axes object 4 with title Conductivity of Wet Ice contains an object of type surface.

Вычислите относительную проницаемость и проводимость для различных смесей почвы, как задано текстовыми классификациями в ITU-R P.527, Таблице 1.

Инициализируйте переменные расчета для постоянных значений и выстраиваемых значений.

fc = 28e9; % Frequency in Hz
temp = 23; % Temperature in °C
vwc = 0.5; % Volumetric water content
pSand = [51.52; 41.96; 30.63; 5.02]; % Sand percentage
pClay = [13.42; 8.53; 13.48; 47.38]; % Clay percentage
sg = [2.66; 2.70; 2.59; 2.56]; % Specific gravity
bd = [1.6006; 1.5781; 1.5750; 1.4758]; % Bulk density (g/cm^3)

Вычислите относительную проницаемость и проводимость для этих текстовых классификаций: песчаный суглинок, суглинок, илистый суглинок и илистая глина. Используйте arrayfun применять earthSurfacePermittivity функционируйте к элементам выстраиваемых входных параметров. Сведите в таблицу результаты.

[Permittivity,Conductivity] = arrayfun(@(w,x,y,z)earthSurfacePermittivity( ...
    'soil',fc,temp,w,x,y,vwc,z),pSand,pClay,sg,bd);

pSilt = 100 - (pSand + pClay); % Silt percentage
soilType = ["Sandy Loam";"Loam";"Silty Loam";"Silty Clay"];
varNames1 = ["Soil Textual Classification";"Sand";"Clay";"Silt";"Specific Gravity";"Bulk Density"];
varNames2 = ["Soil Textual Classification";"Permittivity";"Conductivity"];

ITU-R P.527, Таблица 1 задает процент песка, глиняный процент, удельную массу, и объемная плотность для смесей почвы с ними пачкает текстовые классификации.

table(soilType,pSand,pClay,pSilt,sg,bd,'VariableNames',varNames1)
ans=4×6 table
    Soil Textual Classification    Sand     Clay     Silt     Specific Gravity    Bulk Density
    ___________________________    _____    _____    _____    ________________    ____________

           "Sandy Loam"            51.52    13.42    35.06          2.66             1.6006   
           "Loam"                  41.96     8.53    49.51           2.7             1.5781   
           "Silty Loam"            30.63    13.48    55.89          2.59              1.575   
           "Silty Clay"             5.02    47.38     47.6          2.56             1.4758   

Относительная проницаемость и проводимость для них пачкают текстовые классификации, включены в эту таблицу.

table(soilType,Permittivity,Conductivity,'VariableNames',varNames2)
ans=4×3 table
    Soil Textual Classification    Permittivity    Conductivity
    ___________________________    ____________    ____________

           "Sandy Loam"               15.281            18.2   
           "Loam"                     14.563          16.998   
           "Silty Loam"               13.965          16.011   
           "Silty Clay"               12.861          14.647   

Вычислите относительную проницаемость и проводимость по сравнению с частотой для растительности, различного гравиметрического содержания воды и температуры.

Вычислите относительную проницаемость и проводимость для растительности при заданных настройках.

fc = 10e9; % Frequency in Hz
temp  = 23; % Temperature in °C
gwc = 0.68; % Gravimetric water content
[epsilon_veg,sigma_veg] = ...
    earthSurfacePermittivity('vegetation',fc,temp,gwc)
epsilon_veg = 20.5757
sigma_veg = 4.9320

Вычислите значения, необходимые, чтобы построить проницаемость и проводимость при помощи arrayfun применять earthSurfacePermittivity функционируйте к элементам выстраиваемых входных параметров.

Для области значений температур вычислите значения, чтобы построить проницаемость и проводимость по сравнению с частотой для растительности в 0,68 гравиметрическом содержании воды.

fc = repmat([0.1,10,20,40,60]*1e9,6,1);
gwc1 = 0.68;
temp1 = repmat((-20:20:80)',1,5);
[epsilon_veg_gwc,sigma_veg_gwc] = ...
    arrayfun(@(x,y)earthSurfacePermittivity('vegetation',x,y,gwc1),fc,temp1);

Для области значений гравиметрического водного содержимого вычислите значения, чтобы построить проницаемость и проводимость по сравнению с частотой для растительности в 10°C.

temp2 = 10;
gwc2 = repmat((0.2:0.1:0.7)',1,5);
[epsilon_veg_tmp, sigma_veg_tmp] = ...
    arrayfun(@(x,z)earthSurfacePermittivity('vegetation',x,temp2,z),fc,gwc2);

Отобразите размещенные рядом объемные поверхностные диаграммы через заданные области.

figure
tiledlayout(2,2)
nexttile
surf(temp1,fc,epsilon_veg_gwc,'FaceColor','interp')
title('Permittivity of Vegetation at 0.68 gwc')
xlabel('Temperature (℃)')
ylabel('Frequency (Hz)')
nexttile
surf(temp1,fc,sigma_veg_gwc,'FaceColor','interp')
title('Conductivity of Vegetation at 0.68 gwc')
nexttile
surf(gwc2,fc,epsilon_veg_tmp,'FaceColor','interp')
title('Permittivity of Vegetation at 10°C')
xlabel('Gravimetric Water Content')
ylabel('Frequency (Hz)')
nexttile
surf(gwc2,fc,sigma_veg_tmp,'FaceColor','interp')
title('Conductivity of Vegetation at 10°C')

Figure contains 4 axes objects. Axes object 1 with title Permittivity of Vegetation at 0.68 gwc contains an object of type surface. Axes object 2 with title Conductivity of Vegetation at 0.68 gwc contains an object of type surface. Axes object 3 with title Permittivity of Vegetation at 10°C contains an object of type surface. Axes object 4 with title Conductivity of Vegetation at 10°C contains an object of type surface.

Входные параметры

свернуть все

Несущая частота в Гц в виде скаляра в области значений (0, 1e12].

Типы данных: double

Температура в °C в виде числового скаляра. Допустимые поверхности и сопоставленные температурные пределы обозначаются в этой таблице.

ПоверхностьДопустимая температура (℃)

чистая вода

больше, чем 0

сухой лед

меньше чем или равный 0

морская вода

больше, чем или равный –2

почва

любой числовой

растительность

≥ –20

Примечание

Когда поверхность является влажным льдом, температура является 0 ℃.

Типы данных: double

Соленость морской воды в g/Kg в виде неотрицательного скаляра.

Типы данных: double

Жидкая водная часть объема влажного льда в виде числового скаляра в области значений [0, 1].

Типы данных: double

Процент песка почвы в виде числового скаляра в области значений [0, 100]. Сумма sandpercent и claypercent должно быть меньше чем или равно 100.

Типы данных: double

Глиняный процент почвы в виде числового скаляра в области значений [0, 100]. Сумма sandpercent и claypercent должно быть меньше чем или равно 100.

Типы данных: double

Удельная масса почвы в виде неотрицательного скаляра. Удельная масса является массовой плотностью выборки почвы, разделенной на массовую плотность количества воды в выборке почвы.

Типы данных: double

Объемное содержание воды почвы в виде числового скаляра в области значений [0, 1]. Для получения дополнительной информации смотрите Содержание воды Почвы.

Типы данных: double

Объемная плотность, в g/cm3, из почвы в виде неотрицательного скаляра. Для получения дополнительной информации смотрите Содержание воды Почвы.

Типы данных: double

Гравиметрическое содержание воды растительности в виде числового скаляра в области значений [0, 0.7]. Для получения дополнительной информации смотрите Содержание воды Почвы.

Типы данных: double

Выходные аргументы

свернуть все

Относительная проницаемость наземной поверхности, возвращенной как неотрицательный скаляр.

Проводимость земли появляется в Siemens на метр (S/m), возвращенный как неотрицательный скаляр.

Объедините относительную проницаемость наземной поверхности, возвращенной как комплексный скаляр, вычисленный как

complexepsilon = epsilon – 1i sigma / (2πfcε0).

Расчет complexepsilon основан на уравнениях (59) и (9b) в ITU-R P.527 [1]. f является частотой в GHz. c является скоростью света в свободном пространстве. ε0 = 8.854187817e-12 фарады/м, где ε0 является электрической константой для проницаемости свободного пространства.

Больше о

свернуть все

Материалы ландшафта ITU

ITU-R P.527 [1] представляет методики и уравнения, чтобы вычислить комплексную относительную проницаемость в несущих частотах до 1 000 ГГц для этих общих наземных материалов поверхности.

  • Вода

  • Морская вода

  • Сухой или влажный лед

  • Сухая или Влажная Почва (комбинация песка, глины и ила)

  • Растительность (выше и ниже точки замерзания)

Как описано в ITU-R P.527 определенная структурная классификация применяется к этим смесям песка, глины и ила в почве со связанной удельной массой и объемной плотностью.

Обозначение почвы структурный классПесчаный суглинокСуглинокИлистый суглинокИлистая глина

% Песок

51.52

41.96

30.63

5.02

% Глина

13.42

8.53

13.48

47.38

% Ил

35.06

49.51

55.89

47.60

Удельная масса (ρs)

2.66

2.70

2.59

2.56

Объемная Плотность (ρb) в g/cm3

1.6006

1.5781

1.5750

1.4758

Содержание воды почвы

Содержание воды почвы описывается на гравиметрическом или объемном базисе. Гравиметрическое содержание воды, gwc, масса воды на массу сухой почвы. Объемное содержание воды, vwc, объем жидкой воды на объем почвы. Объемная плотность, bulkdensity, отношение сухого веса почвы к объему выборки почвы. Отношение между gwc и vwc vwc = gwcbulkdensity. Когда объемная плотность не задана, значение bulkdensity вычисляется при помощи ITU-R P.527, уравнения 36:

bulkdensity = 1.07256 + 0,078886 линии (pSand) + 0,038753 линии (pClay) + 0,032732 линии (pSilt),

где

Ссылки

[1] Сектор Радиосвязи Международного союза электросвязи. Электрические характеристики поверхности Земли. Рекомендация P.527-5. ITU-R, утвержденный 14 августа 2019. https://www.itu.int/rec/R-REC-P.527-5-201908-I/en.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C++
Генерация кода C и C++ с помощью MATLAB® Coder™.

Введенный в R2020a
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте