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《中国石油大学》 2008年
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利用FDTD方法研究浅层目标超宽带电磁探测响应特性

杨晶  
【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。
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