基于FDTD的探地雷达地下目标体散射问题的研究

论文摘要

本文研究的对象是探地雷达技术,作为一种探测地下目标物体的有效方法,探地雷达技术已被广泛运用于现实各项工程中。文章介绍了探地雷达技术的历史进程,探地雷达技术发展现状,并从硬件设备、理论研究、数据处理等几个方面预测了探地雷达未来发展的趋势。分析了探地雷达系统的基本结构组成及各部分的作用。介绍了探地雷达的基本原理及电磁波在土壤中的传播特性。分析了探地雷达的两种典型体制,进步频率和脉冲信号探地雷达。简述了探地雷达的主要观测方法及数据采集方法。探地雷达探测地下目标问题实际可转化为计算电磁场问题,采用何种方法来计算电磁场是关键。文章介绍了现有的多种计算电磁场的方法,解析法、数值法、半解析数值法。叙述了各种方法的基本思想以及其优缺点,对比后本文采用时域有限差分法对探地雷达探测地下目标问题进行分析。文章详细介绍了时域有限差分法,介绍了麦克斯韦方程组及二维空间中的表达式,探讨了二阶Mur吸收边界条件和完全匹配层吸收边界条件。研究了如何选择探地雷达系统中的发射源,借助于MATLAB和C语言混编,对脉冲的发射及散射现象进行了模拟仿真。采用高斯脉冲及微分高斯脉冲发射源,仿真了介质中无目标物体时散射的情况,有目标物体但介质背景及目标物体介电常数和电导率变化时情况,分别得出相应的模拟结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 探地雷达的发展历程
• 1.3 探地雷达的发展趋势
• 1.4 本文各章节的安排
• 2 探地雷达的基本原理
• 2.1 探地雷达系统的组成
• 2.2 探地雷达的工作原理
• 2.3 土壤中电磁波的传播特性
• 2.4 探地雷达的测量方法
• 2.4.1 剖面法
• 2.4.2 宽角法
• 2.4.3 中心点法
• 2.5 探地雷达方程
• 2.6 探地雷达体制
• 2.6.1 脉冲信号探地雷达
• 2.6.2 进步频率探地雷达
• 2.7 探地雷达数据采集方法
• 2.7.1 脉冲回波的数据格式
• 2.7.2 数据采集方法
• 3 电磁场分析方法
• 3.1 解析法
• 3.2 数值法
• 3.2.1 有限元法
• 3.2.2 时域有限差分法
• 3.2.3 矩量法
• 3.2.4 边界元法
• 3.3 半解析数值法
• 4 时域有限差分法
• 4.1 麦克斯韦方程组
• 4.2 介质本构关系
• 4.3 Yee离散格式
• 4.4 二维空间中的时域有限差分方程
• 4.5 数值稳定性
• 4.6 数值色散
• 4.7 吸收边界条件
• 4.7.1 二阶Mur吸收边界
• 4.7.2 PML吸收边界
• 5 探地雷达地下目标体散射的仿真
• 5.1 探地雷达电磁波在介质中传播
• 5.2 基于二维FDTD探地雷达地下目标体散射模拟的基本步骤
• 5.3 选取激励源
• 5.4 实验仿真
• 5.4.1 地下有无目标体散射情况的仿真
• 5.4.2 不同情况下地下目标体散射情况的仿真
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果