基于瞬态电磁响应的埋地细长良导体目标长度和方位估计
发布时间：2020-02-29 22:32
【摘要】：对地下管道电缆等目标的几何特征估计在城市建设和市政基础设施维护中尤为重要,针对此类埋地细长良导体目标,该文提出一种基于瞬态电磁响应的管道目标长度与方位角估计方法。建立了介电媒质中水平极化电磁波在布鲁斯特角入射下细长良导体目标后向散射回波时延差模型,通过分析瞬态响应时频分布,建立了其谐振态与目标长度的关系,并由此估计目标的长度。利用瞬态响应早时部分首达回波与晚时部分谐振回波的能量变化趋势,判断电磁波到达目标两端点的时间顺序,再根据首达时间延迟差估计目标的方位角。数值仿真结果表明在电场方向与目标轴线方向偏离不大的情况下,提出方法有效并且对噪声具有鲁棒性,适用于信噪比SNR≥5 dB的长度估计以及SNR10 dB的方位角估计。
【图文】：
1426电子与信息学报第39卷图1给出了地下掩埋目标的电磁波传播示意图。这时散射电场不仅包含如式(1)所示的镜面反射，也包含电磁波在目标体上的爬行波，因此式(1)可以扩展为SSS(O|B)S(A|O)1S(AB)S(BA)()NnEEnEEEE=→→=++++∑(3)其中，[]0S(O|B)T1i2i22111222||()()16(1)expj2(1)j2(1)jETTdkdkmdkqL=σθθπE(4)[]0S(A|O)T1i2i22111222||()()16()expj2()j2()jETTdNkdNkmdNkqL=σθθπE(5)[]0S(AB)T1i2i221112211222||()()16(1)expj(1)j(1)j()j()jETTdkdkmdkdNkdNkqLσθθ→=πE(6)[]0S(BA)T1i2i221112211222||()()16(1)expj(1)j(1)j()j()jETTdkdkdkdNkmdNkqLσθθ→=πE(7)因篇幅所限，仅给出4种典型电磁波传播事件的示意图。图1(a)与图1(b)分别表示电磁波从目标一端入射经目标体表面多次传播并由此端点反射回接收机，其散射模型分别如式(4)与式(5)所示。图1(c)与图1(d)分别表示电磁波从目标一端入射经目标体表面两端点之间多次传播并由另一个端点多次反射回接收机，散射模型如式(6)与式(7)所示。式(4)~式(7)中m,q分别表示电磁波多次振荡(爬行)的次数。事实上与目标长度L相关的谐振是晚时响应部分与目标体表面爬行波有关的外部谐振[12]。由式(4)与式(5)可知，电磁波从一个端点入射且在目标体上多次爬行后从此端点返回，那么式中的q必为偶数，令q=2w,w=0,1,2,。由式(6)与式(7)可知，电磁波从一个端点入射且在目标体上多次爬行后从另一个端点返回，那么式中q必为奇数，为了与式(4)，式(5)统一格式，令q=2w+1,w=0,1,2,。若忽
LcεεεεθθΔ==+++=+(18)情况2：从端点B返回的时间大于等于从端点A返回的时间：()[]2BABA11r2r1r2rTc+(1)(1)()()1sin()tttttddLdNdNLcεεεεθθΔ==+++=(19)其中mΔt为测得的目标端点时间差，m=1,2。由式(18)与式(19)可以解得cθ为()cT1rθθarcsintcLε1=±Δ(20)这里cT0≤θ,θ≤π，显然，对于同一个时间差会得到一个真实方位角，一个虚假方位角。为了剔除虚假方位角，需要进一步研究电磁波从目标两个端点产生的行波的散射性能。图2与图3分别给出了相同入射方式下不同方位角目标上的行波传播机制与时域包络波形。从图2可以看出，当cTθ=θ时，晚时行波在目标体上来回振荡后沿径向返回接收机，由于此时行波在径向上没有分量，，所以每次谐振的振幅相差不大；当cT0≤θ<θ时，行波可以分解为沿电场分量和沿径向传播分量，而此时径向传播分量为远离源的方向，即有部分回波并不能回到后向散射的接收方向，故在回波中晚时响应的幅值小于早时响应的幅值；当Tcθ<θ<Tπ/2+θ时，行波的径向传播分量朝向源的方向，故回波中晚时响应的幅值大于早时响应的幅值；而当Tcπ/2+θ<θ<π时，行波的径向传播分量又远离了源的方向，情况同cT0≤θ<θ。图3中的包络图反映了上述瞬态响应回波早时部分与晚时部分能量趋势，由此可以判断电磁波先到达目标的哪个端点，从而能够通过式(18)与式(19)获取目标的正确方位信息。综上所述，可以做如下判决：定义目标回波能量为2p-p||iiE=E,i=0,1,2,，其中i=0为早时响应部分，i=1,2,为晚时响应部图2地下不同方位角目标上行波的传播机制图3地下不同方位角目标回波的时域包络图
本文编号：2583866
【图文】：
1426电子与信息学报第39卷图1给出了地下掩埋目标的电磁波传播示意图。这时散射电场不仅包含如式(1)所示的镜面反射，也包含电磁波在目标体上的爬行波，因此式(1)可以扩展为SSS(O|B)S(A|O)1S(AB)S(BA)()NnEEnEEEE=→→=++++∑(3)其中，[]0S(O|B)T1i2i22111222||()()16(1)expj2(1)j2(1)jETTdkdkmdkqL=σθθπE(4)[]0S(A|O)T1i2i22111222||()()16()expj2()j2()jETTdNkdNkmdNkqL=σθθπE(5)[]0S(AB)T1i2i221112211222||()()16(1)expj(1)j(1)j()j()jETTdkdkmdkdNkdNkqLσθθ→=πE(6)[]0S(BA)T1i2i221112211222||()()16(1)expj(1)j(1)j()j()jETTdkdkdkdNkmdNkqLσθθ→=πE(7)因篇幅所限，仅给出4种典型电磁波传播事件的示意图。图1(a)与图1(b)分别表示电磁波从目标一端入射经目标体表面多次传播并由此端点反射回接收机，其散射模型分别如式(4)与式(5)所示。图1(c)与图1(d)分别表示电磁波从目标一端入射经目标体表面两端点之间多次传播并由另一个端点多次反射回接收机，散射模型如式(6)与式(7)所示。式(4)~式(7)中m,q分别表示电磁波多次振荡(爬行)的次数。事实上与目标长度L相关的谐振是晚时响应部分与目标体表面爬行波有关的外部谐振[12]。由式(4)与式(5)可知，电磁波从一个端点入射且在目标体上多次爬行后从此端点返回，那么式中的q必为偶数，令q=2w,w=0,1,2,。由式(6)与式(7)可知，电磁波从一个端点入射且在目标体上多次爬行后从另一个端点返回，那么式中q必为奇数，为了与式(4)，式(5)统一格式，令q=2w+1,w=0,1,2,。若忽
LcεεεεθθΔ==+++=+(18)情况2：从端点B返回的时间大于等于从端点A返回的时间：()[]2BABA11r2r1r2rTc+(1)(1)()()1sin()tttttddLdNdNLcεεεεθθΔ==+++=(19)其中mΔt为测得的目标端点时间差，m=1,2。由式(18)与式(19)可以解得cθ为()cT1rθθarcsintcLε1=±Δ(20)这里cT0≤θ,θ≤π，显然，对于同一个时间差会得到一个真实方位角，一个虚假方位角。为了剔除虚假方位角，需要进一步研究电磁波从目标两个端点产生的行波的散射性能。图2与图3分别给出了相同入射方式下不同方位角目标上的行波传播机制与时域包络波形。从图2可以看出，当cTθ=θ时，晚时行波在目标体上来回振荡后沿径向返回接收机，由于此时行波在径向上没有分量，，所以每次谐振的振幅相差不大；当cT0≤θ<θ时，行波可以分解为沿电场分量和沿径向传播分量，而此时径向传播分量为远离源的方向，即有部分回波并不能回到后向散射的接收方向，故在回波中晚时响应的幅值小于早时响应的幅值；当Tcθ<θ<Tπ/2+θ时，行波的径向传播分量朝向源的方向，故回波中晚时响应的幅值大于早时响应的幅值；而当Tcπ/2+θ<θ<π时，行波的径向传播分量又远离了源的方向，情况同cT0≤θ<θ。图3中的包络图反映了上述瞬态响应回波早时部分与晚时部分能量趋势，由此可以判断电磁波先到达目标的哪个端点，从而能够通过式(18)与式(19)获取目标的正确方位信息。综上所述，可以做如下判决：定义目标回波能量为2p-p||iiE=E,i=0,1,2,，其中i=0为早时响应部分，i=1,2,为晚时响应部图2地下不同方位角目标上行波的传播机制图3地下不同方位角目标回波的时域包络图
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