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超宽带电磁法正演模拟及反演成像

作　者: 毛立峰
导　师: 王绪本；李正文
学　校: 成都理工大学
专　业: 地球探测与信息技术
关键词: 电磁波勘探超宽带电磁法时域有限差分方法正反演时域相关概率成像
分类号: P631.325
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 444次
引　用: 3次
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内容摘要

本文提出用超宽带(UWB)电磁脉冲进行地下目标体探测或穿墙探测的方法，即超宽带电磁法。它结合了瞬态电磁场理论、窄脉冲信号发射技术、高速采样技术、UWB天线和信号处理技术等学科的研究成果，具有模拟精确、无损伤、分辨率高和探测深度大(或穿透能力强)等优点。本文深入分析了UWB电磁波在地下有耗介质里的传播特征、能量分布特征、分辨率与探测深度、发射电磁脉冲的时宽或频宽与回波中有效信息量的关系等基础理论问题；开展了用超宽带电磁脉冲对地下介质的高分辨率探测研究，使用有限面积的口径天线，馈入大功率、窄脉冲信号，以同时提高探测深度和分辨率；用高阶时域有限差分(FDTD)法对任意复杂地下介质模型和穿墙生命探测的理论模型进行数值模拟，揭示了窄脉冲电磁波在复杂介质里的传播规律和目标的脉冲响应特征；给出了适合UWB电磁法的电导率和介电常数同时重构的反演法和处理方法建议。论文主要成果如下：1．将时域卷积完全匹配层(CPML)和高阶时域有限差分法相结合，模拟了有限面积的口径天线辐射的UWB电磁波场，编制了UWB电磁法的三维高阶FDTD模拟软件，能对任意复杂地下有耗介质进行数值模拟。2．改进了CPML吸收边界条件的迭代公式里的卷积计算方法，提出分段线性卷积完全匹配层(PCPML)吸收边界处理方法，进一步改善了边界吸收效果。3．分别用频域的解析解法和时域的FDTD解法分析了均匀有耗介质空间里，有限面积口径天线的窄脉冲辐射场的传播特点与能流密度的空间分布特点；首次揭示了电磁导弹能流密度慢衰减的本质原因，客观地评价了电磁导弹在探地方面的应用价值。4．实现了任意复杂介质的UWB电磁波场模拟。直观显示了UWB电磁波在几种典型地下探测模型和地面上穿墙探测人体模型里的传播过程，解释了电磁波与有耗地下介质的相互作用机理；分析了天线参数和地电参数对辐射场性能的影响，进而讨论了UWB电磁法的分辨率和探测深度等问题，为UWB电磁法的解释和走向实际提供理论指导。5．研究了适合UWB电磁法特点的电导率和介电常数同时重构的反演方法。使用改进的时域有限内存BFGS拟牛顿约束反演方法和非线性共轭梯度法近似反演方法，同时重构模型的介电参数与电导率，完成了UWB电磁法的双参数反演，编制了相应的反演软件。6．研究了UWB电磁法的快速成像方法，提出基于时域波形匹配滤波方法的相关概率成像法，成功实现了对单个或多个目标体的概率成像。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-25
  1.1 探地用超宽带信号的概念  11-12
  1.2 论文研究背景和意义  12-17
  1.3 超宽带电磁法及其工作原理  17-19
    1.3.1 电磁导弹与超宽带电磁法天线  17
    1.3.2 超宽带电磁法的工作原理  17-19
  1.4 超宽带电磁法数值模拟的研究现状  19-21
  1.5 论文的研究内容与研究思路  21-24
    1.5.1 论文的研究目标与研究内容  21-22
    1.5.2 论文的研究思路  22-24
  1.6 论文的创新点  24-25
第二章超宽带电磁波在有耗介质里的电磁特性  25-33
  2.1 瞬态电磁场与超宽带电磁波的瞬态性质  25-26
  2.2 论文使用的超宽带信号  26-29
  2.3 超宽带电磁波在有耗介质里的电磁性质  29-31
    2.3.1 超宽带电磁脉冲辐射下地下介质的电流密度  30-31
    2.3.2 超宽带电磁波在有耗介质里的传播方程  31
  2.4 本章小结  31-33
第三章 FDTD模拟的方法和吸收边界条件的研究  33-51
  3.1 Yee网格的二阶差分方法  33-37
    3.1.1 基本差分公式  34-35
    3.1.2 FDTD的数值稳定与色散特性  35-37
  3.2 高阶差分方法  37-41
    3.2.1 FDTD(2M，2N)计算公式  37-39
    3.2.2 高阶FDTD的稳定性及网格色散特点  39-41
  3.3 超宽带电磁法的激励源的加入  41-42
  3.4 吸收边界条件  42-46
    3.4.1 序言  42-43
    3.4.2 CPML吸收边界条件  43-46
  3.5 对CPML方法的改进  46-50
  3.6 本章小结  50-51
第四章有限面积口径天线的超宽带辐射场特征  51-68
  4.1 圆盘面天线辐射场的频率域解析计算  51-59
    4.1.1 有耗介质里的辐射电磁场解析解法  52-54
    4.1.2 天线轴线电磁波能量流动规律  54-59
  4.2 矩形天线辐射场的时域有限差分模拟  59-65
    4.2.1 有耗介质里的辐射场  59-62
    4.2.2 辐射场的能流密度的空间分布特点  62-65
  4.3 慢衰减与对地探测  65-66
  4.4 本章小结  66-68
第五章典型地电模型的超宽带电磁响应特征  68-106
  5.1 均匀下半空间的超宽带电磁响应  68-75
    5.1.1 均匀下半空间里超宽带电磁波的波场模拟  68-72
    5.1.2 均匀下半空间里的能流密度分布规律  72-73
    5.1.3 均匀下半空间的超宽带响应的波形特征  73-75
  5.2 层状模型的超宽带电磁响应  75-82
    5.2.1 超宽带电磁波在水平均匀层状介质中的传播  75-79
    5.2.2 薄层介质的超宽带窄脉冲电磁响应特征  79-82
  5.3 二维模型的超宽带电磁响应  82-91
    5.3.1 简单二维目标体  82-89
    5.3.2 二维断层模型  89-91
  5.4 超宽带电磁法的分辨率分析  91-93
    5.4.1 垂直分辨率  91
    5.4.2 水平分辨率  91-92
    5.4.3 高分辨率特征的数值模拟验证  92-93
  5.5 超宽带电磁法的探测深度分析  93-95
  5.6 三维模型的超宽带电磁响应特征  95-104
    5.6.1 简单三维体的FDTD模拟  96-102
    5.6.2 地下小目标体模型的正演模拟  102-104
  5.7 本章结论  104-106
第六章超宽带电磁正演在穿墙探测中的应用  106-115
  6.1 序言  106-107
  6.2 地下室人体探测正演模拟  107-109
  6.3 地面建筑物内物体探测正演模拟  109-114
  6.4 本章小结  114-115
第七章超宽带电磁反演与成像方法的初步研究  115-145
  7.1 电磁法的反演成像现状  115-117
  7.2 非线性共扼梯度法反演方法  117-125
    7.2.1 超宽带NLCG近似反演方法  118-123
    7.2.2 反演算例  123-125
  7.3 有限记忆BFGS拟牛顿约束反演方法  125-135
    7.3.1 反演方法原理  126-131
    7.3.2 反演算例  131-135
  7.4 超宽带电磁法的时域相关概率成像方法  135-143
    7.4.1 引言  135-136
    7.4.2 反射波信号的时域概率成像方法  136-137
    7.4.3 理论模型的概率成像  137-142
    7.4.4 超宽带时域概率成像的评价  142-143
  7.5 本章小结  143-145
第八章总结与展望  145-148
  8.1 总结  145-146
  8.2 下一步研究方向展望  146-148
致谢  148-149
参考文献  149-156

超宽带电磁法正演模拟及反演成像

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