超宽带搜救探测的时域有限差分数值模拟

发布时间：2020-08-29 08:17

　　近年来,自然或人为灾害等各类突发事件的潜在危险与日俱增,一旦发生,将会造成人民生命财产的巨大损失。国内外多次大震后抢救生命的事实证明:对压埋人员抢救愈及时,救生、救活的可能性愈大。因此,为确保在紧急救援中用最短的时间找到被困人员,采用各种方法和手段来获取生命信号并进行分析,从而判定生命体的存在与否,存活与否。开展先进的生命救助探测与定位方法研究,具有十分重要的意义。本文提出用超宽带(UWB)电磁法进行地下目标体探测或穿墙探测的方法。即使用电磁脉冲进行生命救助探测与定位方法研究,它体现了瞬态电磁场理论、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多学科领域的研究成果,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。首先分析了UWB电磁脉冲信号的产生,讨论了超宽带信号的辐射和时域测量技术,重点讨论了冲击脉冲超宽带雷达的探测原理,同时分析了超宽带雷达对人体目标的测量方法及原理。针对探测中分辨率和探测深度双提高要求,研究了自由空间中的电磁波辐射及衰减特性,研究分析超宽带电磁波场的特征。通过对数学物理方程的计算和计算机模拟,研究了超宽带电磁脉冲的产生机理和传播特性,分析了一般时空源分布近远场超宽带电磁辐射特点和规律,完成超宽频带电磁脉冲的场分析、散射波特性分析。从电磁波对介质的穿透现象出发,分析了电磁波穿透介质的机理,并对超宽带电磁波在有耗介质中的波场特征及衰减特性进行了研究,最后对电磁波传播参数与介质电性质的关系进行了分析。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;对超宽带信号源特征、超宽带电磁波的FDTD方法及吸收边界处理方法、进行了超宽带电磁波在地下介质中的波场模拟,根据模拟结果,分析了超宽带在地下介质的传播特征、分辨率、探测深度和能流密度分布特征。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。
【学位单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X4;TN958
【部分图文】：

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图 2-1 超宽带定义示意图定义，我们把近乎单一频谱的雷达电磁波信号带电磁波，而把频谱带宽较宽，但达不到超宽带（宽带。如图 2-1 为超宽带定义示意图，图中表示的宽带的示意图，一般用用参量谱分布数值下降 3d率的上限频率 fH和下限频率 fL，这时就是电磁波电磁波频谱分布的角度出发，也有把参量谱分布确定为频带宽度的上下限。全是从电磁波频谱分布数值来考虑的窄带、宽带和带信号来探测目标时，我们还得考虑从目标位置和影响电磁波的带宽特性。例如如果选取 30GHzHf 1 .0。这时很大了，应该可以认定为超宽带，目标的探测信号，低频信号部分无法使用。由此我

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的、使其对生命目标是无损的、特别便于对生命目标识别的电磁信号。经过前期理论及对超宽带雷达编码信号的研究，本文认为超宽带探测雷达是一个特殊超宽带信号的发射、接收、处理系统。原理框图如图2-6。

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2.3 超宽带雷达探测生命体原理超宽带生命探测雷达采用冲激脉冲体制实现，利于硬件设备产生一个极短时间窄脉冲作为电磁波辐射波形。图2-7所示是一个脉冲超宽带雷达的基本组成图，包括脉冲生成器、采样控制器和数据处理器，并有时变增益和低噪声放大电路。该体制的超宽带雷达已日趋成熟，目前可以实现的脉冲宽度（时间持续期）一般都在 0.25ns~2ns 的范围，甚至可能更短一些。

【引证文献】