[发明专利]一种针式粗糙度仪

说明书

技术领域

本发明涉及测量装置与技术领域，具体涉及一种测量地表面粗糙 度的针式粗糙度仪。

背景技术

为了描述不规则随机表面，通常把它的高程看作是一个二维随机 场，也就是2参数的随机过程：z(x，y)，其中，x，y表示水平坐 标。以此为基础计算的表面高程均方差，相关长度，或者拟合的相关 长度函数，相关长度的频谱，成为粗糙度参数和粗糙度谱等表面特性 参数。

而微波遥感面散射模型中最常用的粗糙度参数是相关度函数的 二维粗糙度谱W(k_x，k_y)。例如SPM模型、IEM模型、Kirchhoff低频 (标量近似)下的情况、归一化散射截面中均存在W(k_x，k_y)因子。其 计算公式为：

W(kx,ky)=σ2∫dxe-jkxx∫dye-jkxyρ(x,y)---(1)]]>

在做高斯二维随机场假设以后，通常有两种途径去求出这个粗糙 度相关函数谱。第一种方法是假设一个已知函数型，但含有未知参数， 例如高斯型函数：或者指数函数 以及其他一些函数。其中相关长度l为位置参数， 需要通过粗糙度测量数据拟合。通过ρ(x，y)再直接做离散傅里叶变 换。此外Kirchhoff模型在高频下的近似需要用到均方差σ²相关长度 l。上述两种方法均需要z(x，y)作为原始测量数据计算ρ(x，y)，σ²和1。

微波遥感模型中的面散射物理模型均需要粗糙度因子作为输入 参数。由于微波遥感的目标涉及到各种复杂的实际情况，通常的面散 射模型实质上是一个场到场的面积分，而积分表面就是目标的随机表 面，因此在各种模型近似的最终散射系数结果中，往往会存在粗糙度 项因子。这个因子就是上面提到的各种粗糙度参数。

常用的数字特征有表面方差，相关长度，表面谱，相关度谱(如 1式)等。根据模型的不同，需要的数字特征不同，但是这些特征都 可以通过z(x，y)数据的变换和拟合得到，而且通常认为这些特征 随时间和地域是缓变的，即农田反演时，可以在一个生长周期(两次 耕地间)测量一些有代表性的区域作为全周期本地域的粗糙度因子。

目前国际上的粗糙度仪可以分为针式粗糙度仪和激光扫描式粗 糙度仪两类。前者通常价格较低，可测量的表面有一定局限性，而且 操作不方便，如不能测量太松软的表面，单次测量剖面线长度有限。 后者价格昂贵，需要电机控制运动部，容易受到地面植被或反射率不 同的土壤表面的干扰。

目前国际上还没有出现能够测量地面并满足微波遥感模型反演 尺度上的面阵式或推扫式的针式粗糙度仪，现存的针式粗糙度仪均只 能进行单个剖面线线测量，或者是仅能够测量工件表面的小范围高精 度仪器。尽管在随机表面各向同性的假设下，通过在某处反复单线测 量可以近似得到粗糙度参数，但真实的表面往往不是各项同性的，而 且根据雷达入射波长，通常存在多尺度谱的问题，模型中需要将他们 分离计算；大尺度谱一般不是各项同性的，这就需要二维谱数据将两 种尺度分离，而已有的单线粗糙度仪无法做到。

发明内容