全极化探地雷达FDTD模拟与分析

摘要

探地雷达是借助电磁波反射信号来探明埋藏在地下浅表层内的目标物体介质属性分布规律的一种非接触的探测方法。它具有探测速度快、成本低、分辨率高等优点，因此探地雷达运用十分广泛。然而，常用的探地雷在设计和使用过程中，为了使接收天线获得最大电场分量，接收天线仅仅获取与发射天线相同极化方向的电场分量。因此，常用探地雷达将不能完整地采集到目标物体散射波信息。当探地雷达发射的电磁波照射到待探测目标物体时，目标物体对入射的电磁波都有特定的去极化作用，即反射回来的电磁极化形式会发生一定程度的变化，反射波与入射波的极化形式不完全一样。为了让探地雷达能够更多角度地接收目标物体所反射电磁波的信息，本文构建了全极化探地雷达模型。全极化探地雷达模式，主要通过改变探地雷达发射天线与接收天线的之间的夹角来实现的。为了研究探地雷达全极化信息获取对于目标体属性信息获取的积极意义，本文基于探地雷达基本原理和时域有限差分法理论，开展了以下几方面的研究工作:
　　本文首先以时域有限差分方法为基础，利用Matlab软件建立了全极化组合模式的探地雷达。对水平金属板目标体进行了模拟计算，获得了水平金属板中心处和不同方向角处的共极极化和交叉极化反射波振幅值。同时与实验进行对照，以检验计算模型的正确性及其合理性。其次，在水平金属板模型基础上，构建了随机粗糙表面目标体和地下倾斜缝隙目标体模型。在全极化探地雷达模式下，获取了反射电磁波的全极化振幅的信息，利用全极化振幅值对随机粗糙表面的粗糙程度、地下倾斜缝隙方向角进行了初步判识。最后，深入研究了全极化振幅信息与地下倾斜缝隙方向角之间的对应关系。利用散射矩阵公式求取了缝隙特定的方向角。同时，着重研究了共极极化最大振幅的差值、共极极化与交叉极化最大振幅差值与倾斜缝隙方向角之间的关系。研究表明，通过分析和处理全极化振幅值信息，为识别地下缝隙方向角提供更多有用的参考信息，同时认识到获取和处理探地雷达极化信息的重要性。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 研究发展现状

1．2．1 探地雷达的发展

1．2．2 极化探地雷达发展

1．2．3 时域有限差分法(FDTD)的发展与应用

1．3 主要研究内容及组织结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 论文的组织机构

第2章 探地雷达与极化的研究

2．1 探地雷达的电磁理论

2．1．1 麦克斯韦方程组

2．1．2 媒介本构关系与电磁参数

2．1．3 电磁波在媒介中的传播

2．1．4 趋肤深度

2．2 天线与电磁波极化研究

2．2．1 天线极化理论

2．2．2 电磁波极化特性

2．2．3 电磁波极化的表征

2．2．4 极化散射矩阵

2．3 探地雷达原理研究

2．4 探地雷达的性能研究

2．4．1 探地雷达的分辨率

2．4．2 探测深度

2．4．3 探地雷达天线的极化方向

2．5 本章小结

第3章 时域有限差分法的研究

3．1 时域有限差分(FDTD)基本方程

3．2 FDTD方程数值解稳定性的研究

3．3 FDTD吸收边界条件的研究

3．4 FDTD中的激励源的选择

3．5 本章小结

第4章 地质体目标体模型的模拟

4．1 全极化模拟方法

4．2 水平金属板模型的模拟

4．2．1 水平金属板目标体模型描述

4．2．2 水平金属板对照实验

4．3 随机粗糙表面模型的模拟

4．3．1 随机粗糙表面模型描述

4．3．2 粗糙程度定义及其极化振幅响应特性

4．3．3 整体粗糙程度与极化响应特性关系

4．4 地下倾斜缝隙模型模拟

4．4．1 模型的描述

4．4．2 模拟计算结果

4．5 本章小结

第5章 极化振幅响应分析

5．1 利用缝隙散射矩阵分析方向角

5．2 极化振幅差值与方向角的关系

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的主要成果