基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性精.docx
- 文档编号:29089617
- 上传时间:2023-07-20
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:44.19KB
基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性精.docx
《基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性精.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性精.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性精
西北大学学报(自然科学版)
2007年8月,第37卷第4期,A“g.,2007,VoI
37,No.4
Joumal0fNonhwe吼unive巧ity(NaturalscienceEd而on)
基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性
黄平云,王晋国,魏俊波
(长安大学理学院,陕西西安710064)
摘要:
目的为了探测和研究埋藏导体的物理性质。
方法利用时域有限差分(FDTD)方法,计算了在脉冲电磁波入射的条件下,埋藏在沙土中导体球对入射电磁波散射的散射场。
结果表明埋藏在沙土中的导体球面不仅仅存在一次和二次散射波,而且还存在多次波和爬行波。
结论通过散射波的特征研究,可以进行埋藏导体埋藏深度和大小的预测。
关键词:
时域有限差分;埋藏导体;散射波;爬行波中图分类号:
TN011.5
文献标识码:
A
文章编号:
1000-274X(2007)04_055l_05
(1)商∽矗E。
(£)e曲矗E。
(£)e伽…,
亩拍:
!
&堕。
批;!
r鱼盟。
叫一。
(2)
可
可
电磁散射是工程电磁理论研究的一个重要课题。
近年来,随着军事技术、电磁无损探伤技术的飞速发展和探地雷达的广泛应用,电磁散射成像问题越来越受到人们的关注。
其中,特别是在电磁散射问题中,当物体的尺度远大于电磁波的波长时,电磁波与物体的相互作用就显示出所谓的“局部”特性。
根据这一特点,在物理光学理论的基础上发展起来的物理绕射理论(PrD)和几何光学基础上发展起来的几何绕射理论(GTD)、一致性几何绕射理论(UTD)能够较完善地解决导体表面电磁波的散射和绕射,但是到目前为止,关于埋藏导体表面绕射电磁波中爬行波性质的详细研究尚未见报道。
本文根据电磁波在导体表面的几何绕射理论,研究了导体球表面电磁波的散射和绕射,分析了导体表面爬行波的特点,并利用数值计算(FDTD)方法计算了埋藏在沙土中导体球对脉冲电磁波的散射特征。
通过导体散射波的研究,可以预测埋藏在沙土中导体球的深度和几何线度,为探测埋藏在地下的导体检测提供理论指导。
其中"表示解职的磁导率。
当入射场作用在导体球上,导体球对入射场产生散射,根据TE—TM分解和边界条件㈨,其散射场在球坐标系中的表达式为
E=一j岛(t)cos币∑6。
[研2…’(打)+
见”’(h)]P7。
(cos口),
E=
(3)
警‰耋[j6撕n孵¨洳)P№旷净㈠打)一’(c。
s8)],
玩=
(4)
半s;n咖扣。
。
扫2㈡∽嘶咖)一
其中:
n。
=1措,c。
=一器。
。
,
c。
sin8联2’(b)P:
’(cos日)]。
联2’(*)=m^:
2’(z),t(*)=琥(x)。
(5)
1导体球对脉冲电磁波的散射特征
设一导体球半径为。
,被埋人电介常数为8,磁导率为“的各向同性介质中,该球用沿:
轴方向人射的电磁脉冲照射,其人射电磁波场的表达式为…
收稿日期:
2006_08一lo
基金项目:
陕西省自然科学基金资助项目(2005F19)
若一束电磁波入射到导体表面Q’点时(见图1),将在Q’点产生反射波和爬行渡。
在球面Q’点激发的爬行波沿路径Q7Q”Q传播到阴影区,该射线传播的路径满足Fermat原理,即从Q’到场点以之间的
作者简介:
黄平云(1962~),男,四川南克人,长安大学副教授,从事应用物理研究。
万方数据
西北大学学报(自然科学版)
第37卷
距离满足极小值条件,这个条件要求这条路径应该是一条测地线。
由于Q’点附近表面绕射波是焦散波,其波阵面与表面的交线处处与爬行波绕射线正
交,它们在曲面上形成正交网。
图1
电磁波散射示意图
Figl
Sketch
m印of
scatter{“g
of
electmm89“etic
WaVe
当电场沿着测地线传播时,能量沿着这个路径连续衰减。
P。
点的场是Q’产生的爬行波沿表面爬行到绕射点Q,再沿切线方向辐射到P。
处与Q’产生的直达波的矢量和,即R处的强度是辐射点Q’的直达波和爬行波的叠加(见图2)。
尸
图2爬行波传播示意图
ng.2
Sketchmapofd18persionofcre8ping
wave
当电磁波入射到导体凸型目标上发生散射时,若目标的线度相对于人射波长而盲较大时,电磁波散射将表现出“局部化”特征。
通过理论分析可知”J,一束电磁波人射到导体球的球面上Q’点时,导体球面上将产生感应电流,感应电流将在导体球面(凸面)上产生爬行波,爬行波将沿测地线传播
(见图3)。
表面上的爬行波沿测地线传到绕射点Q时,再沿切线方向辐射到观察点,在传播到观察点p。
的过程中,波振面不断扩展,如图3中p。
,n所示。
根据文献[2],空间点P,的电场能被表达为
万方数据
Fig.3
Sketchm8pofdi5persionofcreepi“gwave
a】o“g
geode8ic
藏。
,t.。
(Q’)-[氟引Q)+五。
].
√i南.e-”。
(e)
其中:
氟Q’1Q)=喾[6,峨(㈣H+
}’6咒(Q’)s+675疋(Q7)5+
‰醐诽巾‘√斋‘f篇r
t:
二磐[^,^E(Q一)日+^,6瓦(Q*盯
r)5]em.
√蔫,[揣r
瓦=
群∽%订n,【矗南居卜
{^咕矗赫‘
t=等Ⅲ吲∽H州%∽跟1“‘
似》妒“‘繇,[篇产
吖d,7(口)
/jL.『旦。
盟17
盂=等椭c(1㈣赤后e-jk・
【p。
(Q’)J’
√蒜‘【揣^
式中:
e呻‘中的£表示爬行波在导体表面上沿测地线爬行的距离f即0’习10的长摩):
只f0)表示D应h的
第4期黄平云等:
基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性
~553一
扩散因子;以(Q)表示在射线方向上Q处波面的曲率半径。
由于爬行波在空间传播时沿爬行距离衰减的很快,在一般情况下可忽略不计”j。
但是,当物体的线度相对于入射波的波长而言不是非常大时,爬行波的大小不能忽略,空间任一点爬行波的场强的大小和相位与波在导体表面上的爬行距离密切相
关。
昂2宣E‘+E}+E}。
,
(7)
皿=F+删”+月≯
以上的考虑及式(7)既适合于平面波照射,也适合于偶极子场入射的情形。
3
利用FDTD计算埋入在沙坑中导
体球的散射场
2
埋地球体对电磁波的散射场
设一半径为r=2cm的导体球埋入沙坑中,球
如图4所示,z>d的上半空间为自由空间区域,。
<d的下半空间被分成两个区域。
区域Ⅲ为充满球面s1内部的散射物体所占据,若散射体为介质球,设其电参数为岛,p,。
区域Ⅱ由:
=d的两介质界面和散射球表面s’所界定”1。
入射场由上半空间(I区)进入下半空问。
心距沙面的距离为5cm,沙的介电常数s=9cm,激励源距沙面的距离为2.5cm,观察点距沙面的高度
为^=0.9cm,位置在z=0,2,4cm处的J4,曰,c三
点,如图5所示。
图4埋地球体示意图
Fig.4
Sketch
mapof
图5数据采集示意图
ng.5
buded8phere
SketchT玎8pofd砒acoUectlon
入射场在平面界面将产生透射和反射,透人Ⅱ区的波在埋人球体表面s。
上散射,并且还将在平面界面再次散射,部分波透回到I区。
平面界面与球面之间的散射会相互激发。
为使处理过程清楚明了,现将埋人球体不存在时的波场用F,∥表示(分别为==d界面的反射波和透射波)。
再考虑埋入球体的作用,将与散射球体表面相联系的场用E:
“表示,常称为初级散射场;将与平面界面相联系的场用占:
”和E,表示,称为次级散射场,下标“1,2”代表I区和Ⅱ区。
对介质球所
当激励源发射一电磁脉冲,脉冲电磁波在频域中的谱图如图6,带宽为7GHz,其表达式为
苫(;)=cos[2砺(卜‘。
)]e一(宇>。
采样时窗如图7所示。
(8)
当应用FDTD时,采样点为2600时,在观察点A,曰,c处,数值计算的场强E,,E。
的分布如图8所
示。
4
结论
通过对A,占,c三点散射波利用FDTD数值计算的结果‘…,发现图8中A,,曰,,C。
,D。
,E.,F,各点表示沙土表面直接反射波的峰值;A:
,B:
,c2,D:
,B,R;如,B,c,,D,,B,F3各点表示电磁波从真空人射到沙土表面,投射到沙土中的电磁脉冲入射到金
在的区,可认为其场仅由球面散射产生”J,用酽表
示,则I区和Ⅱ区的总场可表示为
一
一一一
、
。
EI=E‘+E7+E:
”,
、
日,=酽+酽+用”.
万方数据
554一
西北大学学报(自然科学版)第37卷
图6入射电磁渡谱图
F.g
6
spectnlm
m印ofincident
electromag“eticwaVe
属球表面时的一次反射波和二次反射波返回接受点的峰值;』4。
,毋,c。
,D。
,E。
,Fd以及后面的每个峰值分别表示爬行波、多次反射波等叠加的峰值点。
由于爬行波在金属球表面上爬行时,爬行速度为光速
¨
d,
吣
4.
7
/
。
]
}-
^^.,、尸
眦V
\鳓帖
舭一:
E卤
舶伽
).
万方数据
馨嵯
图7
采样时窗
Fig
7
Time
windowof8ampli“g
c,且不断地向外辐射电磁能量,因此衰减的比较快”o,在金属球表面上爬行的距离就较短。
当金属球的尺度较大时,很难检测到爬行波,当金属球的尺度较小时,有可能检测到爬行波的存在。
占.
占,
\
且
/-
{
厂一
,、矿。
V^△A。
枷
一.^.^,
U
丑2
皂兽l《宕o匕§
配
7他600ns
【b)
¨吣.8
啦一§
G
¨
r
1Vb舭,V帆
l
D。
。
I
叭
D,
舭m引n
0
O5
l
l5225
刀2600惦
(d)
第4期
黄平云等:
基于时域有限差分埋藏导体电磁渡散射特性
∽
¨
誊
。
暑
善
3
引
一矿
心Ⅳ姗忙
i‘扛
^7硷600
(0
ns
焉
留卤
舭
:
;
州
:
;
(a)^点场强凰的分布;(b)A点场强毋的分布;(c)日点场强既的分布;(d)口点场强毋的分布;(e)c点场强风的分布;(f)c点场强毋的分布
图8
Fig
8
A,口,c处数值计算的场强戤,研的分布
at
D1咖buti。
n
0f6eld
strengIll眈明d毋c山uhIe“ynumedcal砌ues
poims^.口811dc
参考文献:
[1]
KORADAR.Numencalanalysi80f
㈨翼;篇’篇’甏:
:
盎苫;盖:
~。
。
。
。
。
elee咖magnetic
8patial
on
8cat.
t刊“gbysudke8
tionB418
on
of
arbi衄Irysh8pe[J].IEEE
Tmnsac-
t商ng
sition
byelectdcallylar学e
objee均u甜”gdecomp0一
Antenn聃趼d
Propa蚪i叫,1982,30(3):
409’
Bolution
techni"e[J].IEEE1hn8actions
Antenna8Bnd
Propagaljon,1992。
4(1(8):
867—877
[2]
PRABHAKARHP.Ationtions622
[6]
KIMH
T,wANGN.UTD
B
forelectmm8印ebc
uTIif。
Ⅲ【GTD蚰1ut沾n奴the强di和
su血ce『J].IEEE
靶8Hedngby
ci∞u1矗r
cyHnd盯wiIh£hin108昭e∞Ho铲
h砌sourceB
on
on8convex
T舢ac.
[J],IEEET豫n¨ctions∞Antenmm帅dnop8弘ti。
n,1989,37(11):
l
463—1
472.
Am即肭sandP。
0pagadon.1981,29(4):
609.
[7]许永峰,张书玲.基于小波变换的图像融合隐藏算法
D,PIERGIORGIOLE.E。
act饱di耻ion阻d
at
[3]ERRIcOLO
sc8tte^“g
[J].西北大学学报:
自然科学版,2004,34(4):
386-
388
f缸ane11lpticmeIalcylinder
t11e
inted如e
be.
on
£we∞i80re灿曲北haⅡ-8paces[J].IEEE
Antennasand
1hH毫踮ljon8
[8]阎军锋,王雪文.关于晶体材料表面导热性质的研究[J]西北大学学报:
自然科学版,2005,35(5):
552一
554・
Pmp“B&tion,2004,52(9):
221412225.
Y.0n
[4]
Bpanot哪poral
wBvel毗exp明日ionsf。
rt啪8ientan小si日ofwire叽Ie呻a5
sHIFMANY,LEvIATAN
theof
(编辑亢小玉)
锄dscatte玛[J].IEEEThnBacti叩8
on
AntenllaB蛆d
Research
on
scatteringcharacteristicsof
on
electromagneticwave
buriedconductor
su嗍ce
conduct盱.Memods
Byusing
HUANG
(sch001
Abs订act:
Aim
t}lemethod0f
Ping—yun,WANGJin.guo,WEIJun_bo
of
science,ch蚰g’anunive巧畸,xi’an710064,china)
InordertoBurvevandresearcht11ephy8icalcharacters0fburied
at
nn沁diH色rencetimedomaina11don山econditionofincidenceofpulse
electmm鼬eticwBve,scat.
te髓d矗e】dwascakulaiedbyincidentsIIlts
elect啪89ne娃c
wave
8cattered
on
conductorspherebudedinsandysoil.Re.
Thecakulationre8ult8how8thatspllencal8urfhceoftheconductorburiedinsandyso丑pre8entsnmonl丫pri.
m8ryand8econdarytheore廿cal
8ca妣red
wave8
buta180multiplewavealldcre8pingwave,thati8con8i8tentwiththeTesuhof
on
analysis.Cond憾ion
Analysis
so
characteristics0fburiedconductof
ean
beimplementedthrou#h
can
re—
se唧h
on
featuresofscatteredwave8
thatthedeDthandtllesizeofburiedconductor
becalculated.
K2yword8:
6工1itediH色renceatⅡmedomain;buriedconducto‘;scatteredwave;creepin异wave
万方数据
基于时域有限差分埋藏导体电磁波散射特性
作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
引用次数:
黄平云,王晋国,魏俊波,HUANGPing-yun,WANGJin-guo,WEIJun-bo长安大学,理学院,陕西,西安,710064西北大学学报(自然科学版)JOURNALOFNORTHWESTUNIVERSITY(NATURALSCIENCEEDITION)2007,37(4)0次
参考文献(8条)
1.KORADARNumericalanalysisofelectromagneticscatteringbyelectricallylargeobjectsusingspatialdecompositiontechnique1992(08)
2.PRABHAKARHPAuniformGTDsolutionfortheradiationfromsourcesonaconvexsurface1981(04)
3.ERRICOLOD.PIERGIORGIOLEExactradiationandscatteringforanellipticmetalcylinderattheinterfacebetweenisorefractivehalf-spaces2004(09)
4.SHIFMANY.LEVIATANYOntheofspatio-temporalwaveletexpansionsfortransientanalysisofwireantennasandscatters2004(09)
5.SADASIVAMR.DONALDRWElectromagneticscatteringbysurfacesofarbitraryshape1982(03)
6.KIMHT.WANGNUTDsolutionforelectromagneticscatteringbyacircularcylinderwiththinlossycoatings1989(11)
7.许永峰.张书玲基于小波变换的图像融合隐藏算法[期刊论文]-西北大学学报(自然科学版)2004(04)
8.阎军锋.王雪文关于晶体材料表面导热性质的研究[期刊论文]-西北大学学报(自然科学版)2005(05)
相似文献(1条)
1.期刊论文翟学军.于长丰.朱长军.ZHAIXue-jun.YUChang-feng.ZHUChang-jun埋藏导体表面电磁波散射特性研究-西安理工大学学报2007,23(3)
根据几何绕射理论,利用时域有限差分方法研究了导体球表面电磁波的散射和绕射,分析了导体表面爬行波的特点,并计算了埋藏在沙土中的不同电导率金属球表面电磁波的散射特征.计算及图像分析结果表明,在介质外接收到的电磁波是多次反射波的叠加;利用散射电磁波峰值之间的关系,可以预测埋藏金属物的深度.
本文链接:
下载时间:
2010年6月20日
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 时域 有限 埋藏 导体 电磁波 散射 特性
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)