论文题目: GPR天线和目标的电磁特性分析及数据解译方法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 电子科学与技术
作者: 刘立业
导师: 毛钧杰,粟毅
关键词: 探地雷达,吸收边界条件,天线,随机媒质,直达波抑制,衍射层析成像,线性近似,准线性近似
文献来源: 国防科学技术大学
发表年度: 2005
论文摘要: 探地雷达采用雷达技术实现对光不可见媒质中目标检测和识别,具有非破坏性、穿透能力强、分辨率高、操作方便和费用低等优点。论文运用时域有限差分法深入研究了有耗媒质中目标的电磁瞬态散射特性、探地雷达天线辐射特性,并应用实验数据对目标介电属性进行反演解译。第二章阐述了有耗媒质中的时域有限差分法—(FD)~2TD及其吸收边界条件,主要讨论和解决了以下两个关键问题:1)色散媒质的FDTD迭代方程问题,建立了用于计算色散媒质的FDTD迭代方程;2)有耗色散媒质的吸收边界条件问题,通过Z变换建立两种可用于有耗媒质的吸收边界条件的差分迭代格式,并对其性能进行了比较。然后,通过FDTD法分析了脉冲电磁波在有耗媒质中的传播特性。第三章以简化的偶极子天线模型为例,研究了地下目标的瞬态散射特性,主要讨论和解决了:1)分析了地下目标瞬态电磁散射形成机理以及影响目标电磁散射的因素。2)将2.5D FDTD应用到有耗媒质吸收边界条件GPML中,解决地下细长目标电磁散射计算的问题,进而分析了细长目标的散射特性、影响目标双曲线形态和水平分辨率的因素。3)采用统计法生成了具有二维粗糙界面和三维介电参数随机波动的不均匀媒质模型,并分析媒质不均匀性对介质层厚度估计和目标检测的影响。第四章深入研究了探地雷达天线的辐射特性。天线是探地雷达系统的重要组成部分,它直接影响着整个系统性能和目标的散射特性。本文针对探地雷达不同应用的需要,提出了两种新型的天线形式——地面耦合的分布电阻加载的平面蝶形偶极天线以及空气耦合的分布电阻加载的变形TEM喇叭天线,应用FDTD法分析了电阻加载、屏蔽腔以及媒质的非均匀性对天线辐射特性的影响。理论分析和实验结果表明,通过选择合适的电阻加载形式,可以明显改善天线的辐射波形和时域响应特性。设计的分布电阻加载变形TEM喇叭天线在实际探地雷达系统中得到很好的应用。第五章讨论了探地雷达数据解译中的直达波抑制和目标材质属性估计等问题。文中首先从直达波产生机理和信号处理两个不同角度提出了去除直达波的方法——屏蔽天线、加入分层阻抗渐变匹配介质以及最优参数搜索抵消法,并分析了这两种方法对系统性能和目标信号的影响。然后,给出了两种用于估计地下目标材质属性的方法——相位匹配法和基于准线性近似的衍射层析法。前者通过目标散射信号与基准信号间的相位谱比较实现对地下单个目标材质属性的判断。后者将基于准线性近似的衍射层析法应用到收发间距恒定的探地雷达数据处理中,并考虑了空气-地面分界面的影响。结果表明,该方法可以减小线性近似所带来的误差,并且从介电常数和电导率的反演结果上可实现地下目标的检测、定位以及目标材质属性的初步估计等。
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
§1.1 探地雷达技术概述
§1.2 国内外研究现状
§1.3 论文的结构和主要工作
第二章 地下目标电磁散射的数值计算方法
§2.1 瞬态电磁场的分析方法
§2.1.1 频域方法
§2.1.2 时域方法
§2.2 色散媒质中的FDTD差分格式
§2.2.1 时域有限差分法基本原理
§2.2.2 色散媒质中的差分格式
§2.3 色散媒质的吸收边界条件
§2.3.1 广义完全匹配层—GPML
§2.3.2 各向异性完全匹配层
§2.3.3 两种吸收边界条件的性能比较
§2.4 电磁波在有耗色散媒质中的传播
§2.4.1 有耗媒质介电参数描述
§2.4.2 电磁波在有耗色散媒质中的传播
§2.5 小结
第三章 地下目标的电磁散射特性分析
§3.1 地下目标电磁散射形成机理研究
§3.1.1 地下目标电磁散射形成机理
§3.1.2 影响目标散射特性的因素分析
§3.2 细长目标散射特征研究及水平分辨率分析
§3.2.1 地下目标电磁散射计算的2.5维问题
§3.2.2 地下细长目标电磁散射特性
§3.2.3 探地雷达水平分辨率分析
§3.3 介质层反射特性研究及垂直分辨率的分析
§3.3.1 介质薄层散射特性分析
§3.3.2 探地雷达垂直分辨率分析
§3.4 媒质不均匀性对目标散射特性的影响
§3.4.1 粗糙表面和随机媒质的生成
§3.4.2 粗糙表面和媒质不均匀性对厚度估计的影响
§3.4.3 粗糙表面和媒质不均匀性对目标散射信号的影响
§3.5 小结
第四章 探地雷达天线辐射特性分析
§4.1 探地雷达天线基本概念和发展现状
§4.1.1 探地雷达天线的基本概念
§4.1.2 探地雷达天线发展现状
§4.2 分布电阻加载的平面蝶形偶极天线
§4.2.1 天线的FDTD模型
§4.2.2 蝶形天线的辐射特性分析
§4.2.3 非均匀媒质对天线辐射特性的影响
§4.3 分布电阻加载的变形TEM喇叭天线
§4.3.1 天线的FDTD模型
§4.3.2 变形TEM喇叭天线的辐射特性分析
§4.3.3 变形TEM喇叭在探地雷达系统中的应用
§4.4 小结
第五章 探地雷达系统中的数据解译
§5.1 探地雷达接收信号组成
§5.2 探地雷达系统中的直达波抑制
§5.2.1 采用阻抗匹配抑制探地雷达中的直达波
§5.2.2 参数搜索抵消法去除直达波
§5.3 基于相位的目标材质属性分类方法
§5.3.1 基于相位的地下浅层目标属性分类算法
§5.3.2 实验结果分析
§5.4 衍射层析方法在探地雷达系统中的应用
§5.4.1 衍射层析算法的基本原理
§5.4.2 基于线性近似的衍射层析法
§5.4.3 基于准线性近似的衍射层析法
§5.4.4 计算结果及分析
§5.5 小结
第六章 结束语
一、论文的主要研究成果
二、论文的主要创新点
三、后续研究工作展望
致谢
参考文献
作者攻读博士学位期间取得的研究成果
发布时间: 2008-05-12
参考文献
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