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超宽带电磁场三维FDTD数值模拟

邹贤军  
【摘要】:人的生命是宝贵的,然而人在工作、生活中又不可避免地受到自然灾害、人为灾害以及其它各种突发灾害的危害。当灾害来临时,能否及时救助和保护人类生命安全是关系到国计民生的大事。因此,为确保在紧急救援中用最短的时间找到被困人员,开展先进的生命救助探测和定位方法具有十分重要的意义。 超宽带信号是就信号的相对带宽而言,当信号的带宽与中心频率之比大于25%时称为超宽带信号。超宽带电磁脉冲技术因其频带宽、分辨率高,其回波信号能携带被探测目标丰富的特征信息的优点,这些年来发展很快,已在目标的探测和识别方面得到了较为广泛的应用。 近二十年来,FDTD以其运算速度快、节约存储空间、仿真效果好等众多的优点,迅速运用于电磁场的各个领域,并开发出多种工程软件;尤其是其直接在时间域模拟电磁波,在瞬态电磁场的数值模拟中应用更是广泛。 本文所做的工作就是基于电磁波的基本理论,通过分析FDTD的基本算法和将其应用于超宽带电磁脉冲信号的仿真研究需特殊处理的一些方面,建立超宽带电磁脉冲信号传播的FDTD三维算法。分析超宽带电磁脉冲在空气中的能量衰减特性;提高发射源的载波频率或是缩短源的脉冲上升时间可以使发射源天线中心轴线上的能量密度衰减速率变慢;直观地从频率域解析解和FDTD数值模拟方法论证了高频的辐射能力比低频的强,高频成分对形成所谓能量“慢衰减”起着至关重要的作用。分析了超宽带电磁脉冲穿墙后的能量衰减特性:在墙体是弱损耗介质的情况下,提高发射源的载波频率或是缩短源的脉冲上升时间同样可以使发射源天线中心轴线上的能量密度衰减速率变慢;随着墙体电导率增大,能量密度衰减越快,直至出现导体的趋肤深度现象。分析对比了电偶极子源与超宽带源在空气中及遇有耗介质的传播情况,可以看出超宽带电磁脉冲具有一定的聚焦性能。数值模拟分析了超宽带电磁脉冲信号在实际探测中的一个简单应用:穿墙探测在一个封闭屋子里的人。


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