利用FDTD方法研究浅层目标超宽带电磁探测响应特性

论文摘要

超宽带电磁波因其频带宽、分辨率高、回波信号能携带被测目标丰富的特征信息等特点,被广泛应用于目标探测和识别领域。受超宽带脉冲源功率的限制及电磁兼容问题的制约,超宽带电磁探测技术目前主要用于浅层目标探测和短距离探测领域。本文利用时域有限差分方法对浅层目标的超宽带电磁探测响应特性进行了数值模拟。分别研究了墙体内埋入目标的探测以及地下浅层埋入目标的探测问题,分析了超宽带脉冲源的性质、埋入目标的特性以及土壤环境等因素对探测的影响。取得的成果如下:1、本文由时域麦克斯韦方程出发,在三维直角坐标系下详细介绍了时域有限差分方法的基本原理,利用自由空间中线电流源的辐射问题验证了FDTD方法的有效性。2、以FDTD方法理论为基础,制定程序流程,利用MATLAB 7.0.1软件编程实现。分别以自由空间中无限长直导线辐射问题和电偶极子辐射问题为例对程序进行了校验,数值模拟结果与解析结果能很好地符合,证实了所编写程序的有效性和正确性。3、通过分析不同脉冲的波形和频谱,得到了适合作为UWB发射信号的脉冲——调制高斯脉冲。然后分别对超宽带信号在不同墙体中的电磁响应特性、墙体内埋入目标的电磁探测响应进行了数值仿真研究。得出了不同材料的墙体对超宽带脉冲波反射、折射、衍射以及波速变化的影响情况,并且得到以下结论:浅层目标探测中,超宽带脉冲信号的载频越高、脉宽越窄,分辨率越高。4、将FDTD方法应用于地下浅层埋入目标的超宽带探测研究中。超宽带脉冲波传入地下不同深度的波形特点表明超宽带电磁波仅适用于浅层目标探测领域,由不同土壤中不同性质埋入目标的探测发现超宽带信号对埋地目标进行探测和识别的能力与目标的特性以及土壤环境息息相关。在对浅层埋地管线的探测部分,文中计算出的管线埋深完全满足地下管线的探查精度要求,并且得到以下结论:管线的管径越宽,回波越强,越易探测;管壁厚度对管线探测几乎没有影响;根据回波信号的形状和幅值大小,可以初步判断埋地管线的材质。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 电磁探测技术
• 1.2 超宽带电磁探测技术
• 1.2.1 超宽带技术的发展
• 1.2.2 超宽带技术的应用
• 1.2.3 超宽带电磁探测技术的应用和发展现状
• 1.3 超宽带电磁场研究方法概述
• 1.4 论文研究意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 三维时域有限差分方法
• 2.1 麦克斯韦方程及其FDTD形式
• 2.1.1 麦克斯韦旋度方程
• 2.1.2 Yee元胞
• 2.1.3 直角坐标系中的三维FDTD形式
• 2.2 数值稳定性条件
• 2.3 吸收边界条件
• 2.3.1 三维Mur 吸收边界条件
• 2.3.2 三维吸收边界的FDTD形式
• 2.3.3 三维吸收边界的特殊处理
• 2.4 FDTD中的激励源
• 2.5 FDTD应用举例
• 2.6 本章小结
• 第三章 三维FDTD程序校验
• 3.1 三维FDTD程序流程
• 3.2 无限长直导线辐射的三维FDTD程序校验
• 3.3 时谐电偶极子源辐射的三维FDTD程序校验
• 3.4 脉冲电偶极子源辐射的三维FDTD程序校验
• 3.5 本章小结
• 第四章 墙体内埋入目标的超宽带电磁探测响应特性
• 4.1 超宽带脉冲信号
• 4.1.1 高斯微分脉冲
• 4.1.2 调制高斯脉冲
• 4.2 超宽带信号在不同墙体中的电磁响应特性
• 4.2.1 电磁波波前振幅图
• 4.2.2 墙体水平中线上的电场
• 4.2.3 墙体中心的电场
• 4.3 墙体内埋入目标的超宽带电磁响应特性
• 4.3.1 单个物体的探测
• 4.3.2 两个物体的探测
• 4.4 本章小结
• 第五章 地下浅层埋入目标的超宽带电磁探测响应特性
• 5.1 浅层埋地目标的超宽带电磁探测基本响应特性
• 5.2 浅层埋地管线的超宽带电磁探测响应特性
• 5.2.1 地下管线探测技术
• 5.2.2 不同埋深的地下管线探测
• 5.2.3 不同管径大小的地下管线探测
• 5.2.4 不同材质的地下管线探测
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢