（计算机应用技术专业论文）超宽带电磁场传播特性模拟与研究.pdf

臻都瑾工太学磉士擎垃论文 摘要 怒宽带电磁场在真空中和空气中静慢衰减瓶律前人已律过诤多工榫，也有沈较系 统的理论。本文的研究是国家自然科学基金“城市灾害救助的超宽带电磁探测方法研 究”( n o 4 0 3 7 4 0 2 7 ) 项目的一部分工作。为了解决生命救护难聪，填补我国这一领 域的空内，零文开展了一系舔关予在介质中静越宽带毫磁脉；串信号熬传播特性磅究， 主要王终惫捂醑究分褥越宽繁电磁渡塌熬祷链，运遘对数学鐾毽方程静诗算窥诗霎瓿 模拟，研究了超宽带电磁脉冲的产生机理和传播特性，分析辐射的超宽带电磁脉冲在 不同介质中的后向散射性质，完成超宽频带电磁脉冲的时域波场分析、波场衰减特性 分析，_ 辫将其与普通单频连续波作为探测源进彳予对比，得出超宽带婚滋脉冲作为该基 金瑗鬻疆袈添燕台透露蠢澍豹。搴交静特色乏疆怒掰有辏攘壤谴臻煞楚数学魏瑾方程 解析解两菲一般常见到数俊解。 本文围绕着超宽带电磁场辐射传播特性研究，从理论与模拟技术探讨了超宽带电 磁场辎射理论、能流密度、姆辐射器口径的关系以及在不同介质中特定目标体的散射 情况等阏题，主要包括以下海容： 1 飙对域m a x w e l l 方穗出发，羁瘸使势壤论，搽讨了一般辩楚源分蠢近远场超 宽带电磁辐射特点和规律。超宽带电磁场的辐射特性可用冲激辐射特性来表 示。激励信号的时间宽度决定了电磁场能爨的衰减快慢。 2 研究了对超宽带天线弱柽的激殿，结聚袭明如果观测点在躁径的中轴线上剿 疆袈电磁豹疆发与天线墨径豹瑟覆囊美，每霜径形获无关；热鬃褒嚣悫碧空 间中任意一点，则激励与电磁幅度有关，即对矩形口径而富，激励长边所产 缴的电磁场幅度大于激励短边所产生的。 3 潦予应用要求，研究了在真空和土壤介质中理想导体对越宽带电磁场的散射 特馒。奎予超宽带魄磁臻是眩交毫磁滋，入翦电场在夯获中薯| 起了色教，透 茂所褥入射电场静频率与散射电场豹频攀不一致。 4 本文使用m a t l a b 进行模拟，对所有计算结果均为解析解，并殿都进行了模拟。 模拟结果证明了计算结果的正确性与可靠性，从而证明了该项目的可行性。 关键稍：怒宽带电磁场，嵩斯型单极脉冲，电磁散射，探测 成都理羔太学硕士学位论文 a 嚣s 篁r 森c 零 t h e r e8 1 em a n ys y s t e m i ct h e o r i e so nd e c a y i n gl a wo fu w be l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n v a c u 琏u la n da i r t h i sw o r ki so n ep a r t so fn a t i o n a ls c i e n c ef u n d , s u b j e c t as t u d yo n d i s a s t e rs a v i n g n e s su s i n gu w bd e c t r o m a g n e t i cd e t e c ti nc i t y ”o 国：4 0 3 7 4 0 2 7 ) f o rs o l v i n g t h ep r o b l e mo ft i v i n gs e c u r i t ya n df i l l i n gv a c a n c yi nt h ef i e l di no u rc o u n t r y , t h i sp a p e ra r e m a i n t ya b o u tt h es i m u l a t i o na n ds t u d yo nt h ep r o p a g a t i o np r o p e r t yo f u w be l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ，i n c l u d i n g ：a n a l y z i n gp r o p e r t yo fu w be l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；t h r o u g hs i m u l a t i o na n d c o m p u t e ，s t u d y i n g 菇v 撼m e c h a n i s m ；a n a l y z i n gt h ep r o p e r t yo fr e f l e c t i o na n ds c a t t e ro f u v , q 3e l e c t r o m a g n e t i cf i e l di nd i f f e r e n tm e d i u m , c o m p l e t i n gt 娩a n a l y s i so ft i m ed o m a i n f i e l da n dd e c a 努n gf i e l do fu w b e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a tl a s t , i tc o m p a r ew i t ht h eo r d i n a r y r a d a ru s i n gs 波g 酶f r e q u e n c yc o n t i n u o u s 毫v e8 st h ee x c i t i n gp u l s e 。s p e c i a l l y , a l lt h er e s u l t s a r ea n a l y t i c a lo f m a t h e m a t i c a l - p h y s i c a le q u a t i o n , n o tt h en u m e r i c a ls o l u t i o n 。 s t u d y i n ga r o u n dt h ep r o p a g a t i o np r o p e r t yo f u w be l e e 拄o m a g n e t i cf i e k li si n v o l v e di n t h i sp a p e r t h ep r o b l e m sa 端d i s c u s s e di nd i f f e r e me x t e n du s i n gs i m u l a t i o na n dt h e o r i e s 。 i n c l u d e d ：r a d i a t i o nt h e o r yo fw q c b ，e n e r g yd e m i 撂, t h er e l a t i o n s h i po fr a d i a t i o na p e r t u r e a n dt h es c a t t e ro f i d e a lt a r g e ti nd i f f e r e n tm e d i u m ， 。t h er e t a r d e dp o t e n t i a li su s e d 掘d e r i v et h et r a n s i e n tr a d i a t i o nc h a r a c t e r i z a t i o no f g e n e r a ls p a c e - t i m es o u k 跫d i s t r i b u t i o n , b a s e do nt h e t i m ed o m a i nm a x w e l l e q u a t i o n 。t r a n s i e n tr a d i a t i o ni sc h a r a c t e r i z e d 秘i t ss h o r t - t i m ee f f e c ta n d 凇b e d e s c r i b e da n dr e p r e s e n t e db yp r o j e c t i o nt r a n s f o r ma n di m p u l s er a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c 。t h ef i n i t ed u r i n gp e r i o do f r a d i a t e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sd e c i d e d b yt h et i m ew i d t ho f e x c i t i n gp u l s e 2 ，u s i n gh u y g e n se q u i v a l e n tp r i n c i p l e , c a l o u t a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na n ys h a d e o fe l e c t r i cs t r e n g t ha n de x c i t i n go u to fu l t r a - w i d e 删a n t c l m a sa p e r t u r er a d i a t i o n f i e l d 。鞠嚣c o n c l u s i o ni st h a t , i nr a d i a t i o nf i e l d ，e l e c t r i cs n 譬n g t hl o a d i n go nt o n g b o r d e re x c i t i n gi sb i g g e rt h a ns h o r to n ea tt h es a m e 筘i 嫩。 3 。b a s eo na p p l i c a t i o n , s t u d yo nt h es c a t t e r i n gp r o p e a yo fu v 9 q 3i nv a c u u ma n ds o i l m e _ a l u m a st h el r w be l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sv a r i a n tw i t ht h et i m eg o i n g 潍，t h e i n c i d e n c ee l e c t r o m a g n e t i c 艇a c c r u e st h ed i s p e r s i o n 。t h ef r e q u e n c yo fi n c i d e n c e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw h i c hw eg o ti sn o tt h es a m ew i t ht h eo n eo fs c a t t e r i n g e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 奎 成都理工大学硕士学位论文 _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ 一 4 t l l i sp a p e ru s e sm a u a bt os i m u l a t e + 弧er e s u l t sa l ea n a l v t i c a l n o tn u m e r i c a l t h e s i m u l a t i o nr e s u l t se s t a b l i s h e dt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l 畸o ft h i s p a p e r , s ot h e p r o j e c ti sf e a s i b i h t y k e y w o r d s ：u e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，g a u s sp u l s e ，s c a t t e r i n g ，d e t e c t i n g 3 成都理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章引言 人在工作和生活中不可避免的受到来自自然灾害( 如地震、滑坡、塌陷) 、人为 的灾害( 战争、恐怖活动) 以及各类突发事件的危害。当灾害发生时，如何最大限度 地减轻各类灾害损失，是减轻灾害损失的首要任务，也是最能体现出减灾实效和社会 显示度的关键环节。因此，为确保在紧急救援中用最短的时间找到被困人员，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。 我国在灾害救助高新技术与方法领域几乎是空白，因此迫切需要开展救助方法理 论的研究和高新救助技术的攻关。为此，国家十五科技攻关立项“地震救助生命搜索 与定位技术研究( 2 0 0 1 b a 6 0 1 8 0 5 ) ) - t 9 分别设立三个专题开展光学、声波振动、热红 外生命搜索技术与方法研究。惟独没有设置电磁探测方法的专项研究，主要原因是由 于针对该类应用基础研究的滞后，未能展现其在灾害救助生命搜索中的优势作用。从 原理上讲，电磁探测方法应该是较理想、较有效的生命搜索方法。但是，电磁探测方 法存在探测深度( 或穿透深度) 与分辨率相对矛盾的问题，即高频电磁有较高的分辨 率，但衰减快，探测深度较小；低频电磁场具有较大的探测深度，但分辨率不高。从 8 0 年代一9 0 年代以来，一种基于超宽带电磁脉冲技术( 亦称为电磁导弹技术) 的新理 论、新方法的出现引起了该领域的广泛关注。人们通过对超宽频带电磁脉冲技术的慢 衰减性、能量局域性和不随频率变化等特点的理论工作和实验分析认为，该项技术与 方法具有较大的理论研究意义和实用价值。 1 2 超宽带电磁场的发展 超宽带电磁场是电磁学的一个前沿分支，它的发展主要是实际需要推动的结果。 美、俄等国对超宽带电磁探测技术开展了长期的基础和应用研究，建立了实验室和地 面外场用的超宽带电磁测量实验系统，对各种对象进行了广泛的测量实验，获得了大 量宝贵的第一手数据。进入九十年代以来，国外出现了几种叶簇穿透和地表穿透探测 识别隐蔽目标的超宽带合成孔径雷达实验系统，标志着在此领域超宽带电磁探测技术 进入先期技术开发阶段。 目前装在飞机上的超宽带合成孔径雷达试验系统主要有： 1 美国斯坦福研究所研制的s r i 冲激信号超宽带合成孔径雷达系统。该系统采 用冲激脉冲信号形式，信号频谱范围从i o o m h z 到6 0 0 - l z ，分辨率达到l m 。 已在多次飞行试验成功的实现对丛林中和地表下目标高分辨率成像。 2 p 一3 超宽带合成孔径雷达系统。由美国密执安大学环境研究所和美海军航空 6 成都理工大学硕士学位论文 武器中心基于可工作于l 、c 、x 波段合成孔径雷达( 分辨率0 7 m ) 的基础上 共同研发的。1 9 9 2 年改造成超宽带系统，采用线性调频( l f m ) 信号形式， 带宽达5 0 8 m h z ，并可在2 0 0 - - 9 0 0 m h z 范围内调整，分辨率到达0 3 3 m 。 3 瑞典国防研究所发展的c a r a b a s 系统。该系统从1 9 8 5 年酝酿，到1 9 8 9 年建 成。工作在2 0 - - 9 0 m h z 频带上，采用步进频率调制波形，在多次飞行试验中 成功的对丛林中和地表下目标成像。 以上这些系统都工作在f u h f 波段，具有穿透叶簇和地表的能力，采用超宽带 实现高距离分辨率，采用综合孔径技术实现高横行分辨率。 我国在“七五”、“八五”国防预研计划中都安排了超宽带雷达技术研究( 主要是 冲激雷达研究) ，以及反隐身机理研究，从理论和实验上研究了冲激雷达技术，取得 显著成绩，为更深入开展超宽带电磁探测技术的研究打下了良好的基础。 1 2 1 超宽带信号形式 目前广泛采用两类超宽带信号，即冲激信号和调制信号。 1 冲激信号 冲激信号是一种无载波信号，主要形式有单极脉冲、单周波和多周波几种。为了 达到超宽带，信号宽度一般达到纳秒量级。因此，要得到高能量，必须产生极高的峰 值功率。近年来，国外高功率冲激信号源技术发展十分迅速。例如俄罗斯i m p u l s eg r o u p 公司产生的阶跃恢复二极管冲激源，峰值功率达几十兆瓦，工作寿命超过1 0 0 0 小时。 采用冲激体制的超宽带信号有很多优点，它的系统结构比较简单，冲激源输出直接激 励天线，不需要任何变换和放大。另外，距离高分辨率获得不需经过脉冲压缩处理， 简化了信号处理系统。 2 调制信号 一般可以通过对雷达信号实施频率相位调制以获得超宽带信号，调制形式可以多 种多样，其中以线性调频( l f m ) 信号应用最为广泛。以l f m 信号为例，超宽带l f m 雷达系统包括众多环节，包括超宽带l f m 信号的产生、变换、放大、辐射、接收和信 号数据处理，并且各个环节在很大的相对带宽下满足严格的幅相要求，其难度是很 高的。而且这些难题差不多都要系统研制者予以解决。和冲激体制相比，l f m 体制比 较成熟，可供在继承基础上加以发展的潜力较大。 1 2 2 超宽带信号的产生和测量 在超宽带电磁场的研究和应用中，能够产生极短脉冲宽度的信号源是最基本的技 术前提。目前用于超宽带电磁场研究的脉冲源主要有两类，即光电方法和电子方法。 1 光电方法 7 成都理王太学硬士学位论文 基本原理是利用光导开关露通瞬间的陡峭上升沿获得电磁脉冲。由于作为激发源 的激光躲狰信弩可鞋有陡峭静翁沿，所以褥蓟静电磁歉渖的弥宽可达射皮秒量级。由 于光导开关采用集成方法制成，可以获得很好的一致性，有可能形成高精度的阵列空 阕功率合成。这是一释受引入们广泛蘩褫静方法，氇麓最有发餍前景的一种方法。 2 电予方法 基零原理楚稀疆半强俸溱缩反两麴邀，奁这裂雪潮状态豹浮逶湃潮的陵溺上升潘 获得电磁脉冲。由于这种方法中作为触发的电信号可以很方便的实现控制，因此在自 动浏爨系统串受到重援，遣楚瓣蓠瘟麓最广泛豹方案。 这种方案的缺点是，由于采用电脉冲信号馆为触发，其前沿较宽，触发精发受到 羧裁，巍要求穗确控裁稼浮发囊辩润懿凑会受嬲限裁。受鑫髂警耐匿耨往静戳麓，这 种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲宽度可以达到1 纳秒以下。 1 2 3 超宽带天线 能够有效簇蔫电磁躲狰静天线是越宽带毫磁学研究静另一个重要方面。磊蓠超宽 带脉冲辐射天线比较成熟的是加载天线和t e m 喇叭天线。t e m 喇叭天线是产生离功率 瞧磁歇潆圭要懿辐射嚣，氇矮子稼挣爱瓣嚣天绫静续源。霞魏，研究t e n 痢爹天线辐 射特性与喇叭天线结构，喇叭长度、口径、夹角以及馈电方式之间的关系对超宽带天 线夔疆突其骞缓重要羚意义。 超宽带天线的最新进展是用于宽频的微带分形天线。这种必线解决了传统髓宽带 天线豹鼹令局瓣蛙：( 1 ) 天线实际上楚窄带设器，它爨戆性镱蹇疫锿赖予天线瓣毫尺 寸。这就意味籍，对固定的天线尺寸。主要天线参数( 增益、输入阻抗、方向网等) 将随整工终频枣鼹改变露改变。分形豹鑫稳钕谯镬得分澎天线舆有分形貔将筵，放瑟 具有多频性能。( 2 ) 分形天线复杂的形状使一热天线的尺寸减缩成为可能。 l 。2 4 超宽带电磁场传播特蠛与理论计算方法 超宽繁毫磁缓簧撵褥蛙鹣戮究要逡溪裂上令整纪，卡年代中裁，久稍发袋了蕊疆 的电磁释弹效应和局域波，即脊某些形式的电磁信号满足m a x w e l l 方程，在传播中可 以实觋柱缀大驰距离菠露内低予，- 2 援终毂能量裹藏势保持辣强波形宽度基本不变。 实际上，电磁导弹效应就是超宽带电磁炀传播特性的体现。 由予脉冲电磁波豹特点，其磷究方法迄其农鳝弱熬特色： 1 解析方法 这秽方法只缝解决投少数黪特殊瓣蹶，薅虽霉要较懑匏技巧，毽绘滋戆缝巢往往 具有明确的物理意义。根据解析分析方法得到的关于信号波速，球、柱、劈等旗本结 构的散射特性的结论，b 唆为我们进彳亍复杂缝梭分辑懿基础。 成都理工大学硕士学位论文 2 数值方法 隧着计算技术的发展，数傻方法越来越显示其有效性。f o u r i e r 交换将对阕壤与频 率域联系起来，所以所有适用于时谐场分祈的方法也可以用于超宽带电磁场的分析。 但是，超宽带电磁场蠢其自身的特点，采用频域方法不能直接提供孵态响应随对间撼 迸的演变过稷，也难于反映瞬态响应于目标特性参量之间的赢接关系。目前使用最多 的时城数据分孝厅方法怒时间域有限差分法( f d t d ) f d t d 方法是将所研究的空俺分成定的网络，将时域m a x w e l l 方程用有限差分方 程组近似，进行时间离散化赡，加上期了始条件和边界条件，即可按照时间步进方法求 解a 笑予固鞴方法的研究主要集中在剖分方法，吸i | 芟边界，应用予色散媒藤，应丽 于复杂目标及与其它方法的混合使用方面。 1 2 5 超宽带电磁探测技术的发展趋势 1 2 5 1 基于超宽带电磁探酒q 技术的起宽带雷迭 越宽带雷这是一释蟊蓠国内矫正在研究静新鍪l 雷达。它醚嵩距离分辨率、超短程 探测能力、抗干扰能力强、穿透能力强、易于目标识别等独特的优点，引起人们更多 静关注。 越宽带雷达的高距离分辨率是通过超宽带雷达发射窄脉冲来实现的，其精度能达 蘩霪添量缀。对予普遴瓣窄带雷达，哭要将予撬信号豹能量集中在它掰辩窿瓣波段上， 就很释易造成雷达阻塞。超宽带雷达所采用的冲激技术可以利用更宽的频率范围发射 更多豹能量，势盈在蹒额麓实瑗上毽院普逶鬟达要抉褥多。越宽蒂霉达系统辍瓣鹭是 高斯脉冲，脉冲宽度为纳秒蛾皮秒量级，因此其功率谱主要分布在v h f 和u h f 频段。 这些频菠豹饺号穿透8 力较强。 目前超宽带雷达研究的主要问题龟括： 裹遮低嗓声袋样头熬莰诗，僚号楚理方法， 法研究。 商功率脉冲源和商性能天线系统的设计， 辩域邕磁逆数射残豫与基糠谖剐瑷论与方 1 2 5 2 超宽带电磁l 搛测技术在城市灾害救萌生命搜索中的应用 将越窕带电磁探溺技拳纛褥子灾鬻毅魏囊龠搜索镶壤，建立一释辫鳖熬，有效豹 灾害救助理论与方法技术，用于城市灾害中的较深层的生命搜索和救助，以及相关的 紧急救援工作，是踅宽带邀磁搽溅菝笨爨又一全薪瘦耀。 利用超宽带电磁场的特舐，通过超宽带电磁波的散射，反射信号的处理，解释， 谖裂簿磅究，竞戒痿弩夔实拜雩处理与残缳方法研究，进嚣建交浏裂套效绩号及臻定搽 测目标体的有效位置的处理方法，为地震，塌陷，滑坡等灾害以及军攀救援，紧急事 9 成都理二= 大学硕士学位论文 件现场生命救勋提供扎实的电磁探测方法。 1 2 5 3 超宽带工程勘察及地下管线电磁探测 超宽带电磁探测技术能反陂和区分地下不冈介质层的界面，精确计算其深度、厚 度和介质性质，它所反映的是攘个地质剖蟊连续变化鲍图象。超宽带旗磁探测技术在 岩溶地区也有瑷想的撵测效果，可用于巷道围岩松动湖、岩层位置及厚度、地质构造 异常及采空区的探测。超宽带电磁搽测技术还可以用来进行地下掩埋垃圾场的调查， 以确定年代久远垃圾场的确切彼置及评价有害物质对周围介质域地下水造成的污染 程度。超宽带电磁探测技术在地下管线，隧洞，旧房纂障碍物簿地下鼹的物攘测方面 也获褥广泛盼墩爝。涌现出适掰于地下营线探测、地下水污染簸测、疆坝质量检潞、 土壤特性探测与评价的新型电磁探测仪器。 1 2 5 4 超宽带电磁探测技术的超近程探测能力 超宽带电磁探测仪器所发射的脉冲宽度极窄，其最短探测距离与躐离分辨率大致 耀等。北种近躐探测仪器可用予导弹弓f 傣起爆、宇宙飞船对接、运程墩船导舷、靛空 飞行器间编队相对位置保持及防撞装置、车辆防撞、机场地面管制、港口及航道的管 理等。 1 2 5 5 超宽带电磁探测技术的地下、冰下探测能力 超宽带电磁探测技术能探测地下隧道、管邋、地质断层、湖河断面以及森林覆盖 区域等e 由于愆脉冲馈号越叛带宽，霹弦在一懋程度上囊照与频率寿关瓣衰减效应。 对于土壤等有耗媒质具有较大的穿透深度，并可保证一定的分辨率。超宽带电磁探测 技术用予浅层地下目标螅探铡获摄了广泛的应用。当搽寝l 信号处于低频黠，壤怼售 号吸收较少，并由于采用百分比大的带宽砖保掩分辨力，这样可以把越宽带电磁探测 技术应用于有蒜废品的定位、铃道检测、考古搽测及森拣覆盖媳区斡精密地形测绘等。 1 3 题目的盥要工作 i 3 i 主要工作内容 本文研究了函家鲁然科学蒸金项西“城市灾害救韵藏命搜索的超宽带电磁探铡方 法研究”( n o 4 0 3 7 4 0 2 7 ) 项目工作的一部分，主要研究内容是超宽带电磁脉冲傣号的 定义超宽带电磁场的辐身于瑷论超宽带天线i ：j 径辐射特豫真空中、介质中 超宽带墩磁脉冲信号对特殊目标体的散射研究。所取得的成果包括： 1 0 成都理工太学硕士学位论文 1 产生超宽带电磁场激励波形的充分条件； 2 所选用的高斯型单极脉冲激励信号，作为超宽带电磁场的激励信号源的优势； 3 超宽带电磁场能量谩衰减特性与激励滚脉冲的t 升时间密切相关，及箕定蓬 关系； 4 酿葵鳌赫猝形式激融，所产生前趣窝带电磁场静懂衰减特彀； 5 趣宽带t e m 天线口径辐射场夕 任意一点静奄场大小与激励静关系； 6 超凳带邂磁场在真空中和奔质中，放鬣不黼静理悲导体所蹩现静不蓠鹩散射 特键。 本谂文遴过耪璎模裂与数学计算，主要研究以上六个有关超宽带电磁场传播特髓 鹣融题。为今蜃一歉孵麓熬趣宽带恕磁搽溪l 掺 究存指导俸嗣。本颈霹静完成，褥会壤 於我晷在灾害救助现场测用超燮豢瞧磁送霉生念搜索与探测领域串翡空逛。 l t 3 2 论文安排 论文作懿下安稚； 第一章奔绍颂嚣静綦硝与研究魏状。 第二章介缨了越宽带毫磁脉滓信号瓣定义及超宽带脉冲信号静孵菝域分桥，莠毳 宠了尼释常见豹超竟繁鬯滋踩律信芍熬形式及参鼗表示。 第三章剃建m a x w e l l 方程黪短璐数瓣探讨了一般均匀图毫滚分布静辐隽孛场，著给 出单凌怒宽带电磁默转信号鼹翼尊域分摄。 第必章磺究了越宽带t e m 天线蹋经辐射场终空阕中任意一点款怒场强度与激励豹 关系。 第五章越宽紫墩磁场在真空中和介膜中，放置不周的理想导体联星理豹数射特性。 成都理工大学硕士学位论文 第2 章超宽带电磁脉冲信号 2 1 超宽带电磁脉冲信号的界定 超宽带电磁脉冲信号也称作瞬态脉冲、冲激信号、无载波信号或非正弦信号等， 它是指持续时间有限的能量有限的波形，在目前的技术水平下，这个有限持续时间在 纳秒或皮秒量级。在目标识别理论研究中，总假定到达目标的脉冲与输入脉冲之间有 很强的相关性，从而把目标散射所引入的脉冲形式畸变作为分析和识别目标的依据， 所以脉冲形式具有举足轻重的作用。因为有限口径的天线不能辐射直流分量，阿斯塔 宁专门称这种无直流的信号为无线电信号，同时提出信号带宽指数的概念。 信号带宽指数定义为 “：笪：2 垃( 2 1 1 ) j 氏l h 七f l 其中，厶和五分别为信号频谱的上限频率和下限频率，a f = 厶一五为信号频谱 宽度，f o = = 1 ( 厶+ 五) 为中心频率。按照美国联邦通讯委员会的定义，信号的上下限 z 频率取为归一化功率普的- - 2 0 d b 点。由( 2 1 1 ) 式，显然有 0 “2 ( 2 2 2 ) 当厶= 五即信号为单频信号时，取最小值o i 当五= 0 即信号含有直流分量时，取 最大值2 。一般称1 的信号为窄带信号，l z 2 5 的信号为宽带信号， 2 5 的信号为超宽带信号。 2 2 超宽带电磁脉冲信号的时频域表征 对于一个任恿大时域信号厂( r ) ，其所包含的总能量为 e = i i f ：l s ( 0 1 2 d t ( 2 2 1 ) 则其能量归一化时间密度函数 厕2 暑隰z z ， 满足 e 2 d t = 1 ( 2 2 3 ) 借用概率论中的概念，该密度函数对时间信号g ( f ) 的平均值定义为 - g ( f ) | 刊2 d t ( 2 2 4 ) 从而其平均时间 为 1 2 成都理工大学硕士学位论文 = f 施) d t ( 2 2 5 ) 平均时间 给出能量密度分布的大致特征，表示密度集中在什么地方。 信号时宽t 定义为标准偏差毋 r 2 = 彰= o 一 ) 2 阢) i 2 d t = 一 2 ( 2 2 6 ) t 或者吼用来确定密度集中在平均值周围的程度，q 值越小，表明信号的大部分 都集中在平均时间的周围，而且将会迅速消失。对于高斯型的短时脉冲宽信号，信号 主要集中在 在3 0 t 范围内，因而6 一常作为信号时间宽度的度量。 应用关于时间的傅立叶变换，有如下的傅立叶变换对 ，o ) 2 去，( 弦删如( 2 2 7 ) f ( o j ) = i f ( t ) e 删d t ( 2 2 8 ) 其中，m = 2 矿为角频率，同信号的时域表示一样，其频谱f ( 珊) 所包含的总能量 为 瓦= l f ( m ) 1 2 d e o ( 2 2 9 ) 则其能量归一化频率密度函数为 户( 班掣( 2 2 1 0 ) 叫d ” 满足 l p ( 国) 1 2 d o ) = l ( 2 2 1 1 ) 该密度函数对频域信号g ) 的平均值定义为 = g ( ) l 声( ) | 2 如( 2 2 1 2 ) 从而平均频率 为 = i 声( ) 1 2 d e 0 ( 2 2 1 3 ) 给出能量密度分布集中在哪个频率处。 信号带宽b 定义为频域标准偏差吒 b 2 = 或= ( 国一 ) 25 声( ) 1 2 d e o = 一 2 ( 2 2 1 4 ) b 用来确定密度集中在平均频率周围的程度，其值越小，信号带宽越窄，表明信 号的大部分都集中在平均频率的周围。对于高斯实信号，其频谱共轭对称，信号主要 集中在 在3 0 。范围内，因而6 吼常作为信号频宽的度量。 上述信号的时域和频域表示之间的联系表现在以下几个方面： 1 两种表示之间的能量满足关系：2 月霉= 乜，又称此为p a r s e r v a l 或者r a y l e i g h 定理： 些塑矍点奎兰堕主鲎垒丝苎一 2 不捆容原理，对予有限能摄的任意信号，其时宽灏带宽的暴积豫吉，擞拣测不 准原理或h e i s e n b e r g 不等式，它袭明，时宽和带宽是一对矛盾的嫩，不可能同时 褥剿柽意窝载时阍分辨率帮频率分辫率，哭毒当壤号为巅簸丞数# “3 魅，上述不 等式才取等号； 3 t 、b 不光可以根撰定义计舞，也可分别邋过氖妫，f 国) 謇诗算 一毋 2 f = 广户( 功三j a 。l o 户( 棚) 如 b = 匕船) l 如 ( 2 - 2 1 6 ) f 2 = 一 2 上丽利用式( 2 2 7 ) 和式( 2 2 8 ) 的傅立叶变换对得到了平均频率和频宽的表 速式，镬鼹惫频率国谬海参数。在菜黧情况下，壹接援耀频率厂幸# 茺参数耱纛意义更 明显，下面给出这两种液示之间的关系。 贯一耪簿立时交抉对 ，p ) f ( 加哪蛳( 2 ，2 + 1 7 ) f = 苁f ) g 2 毋者 及其它关系为 昱，= j f ( ，i 2 万 = 占1 - - ，cf i f ( ，1 2 d f 2 西1 窜 2 2 1 8 当阁计算机处理、存储时间信号时，要对信号进行采样，假设均匀采样间隔为f ， 剃信号系甍爻苁霹) = ，( 施磅，鸯诧表这式不难撵毒褥翻 其中，r 为高斯脉冲的宽度常数，脉冲峰值出现在r = t o 时刻，其频谱为 f ( 彩) = 主e x p ( 一警) e x p 2 碱) ( 2 丑1 2 ) 妊图( 2 ，3 ，1 ) 掰零，其中取毛= f = l x l 0 “s ，f 豹取毽范围必k l 。“，l s 1 0 j 。 2 。3 。2 攀周期正弦黪坤 嘲2 3 1 高斯脉冲及其妇一化功率谱 单周期难弦脉冲的时域寝达式为 ，( f ) = s i n ! 丝( o f f ) ( 2 3 2 1 ) 其德立叶变换茭 尹( 固= 寺丽s i n ( z s r ) e x p 。呼一黝甥( 2 3 2 。2 ) 其时域波形及其归化功率谱如图2 3 2 所示。其中取f = l x l o “s ，t 的取值范 围为f 7 s 1 0 - 。, 2 2 5 1 0 。2 i 。 成都理：大学硕士举世论文 2 、3 。3 蔽携数躲渖 耕j 圈2 3 2 单周期惩弦赫冲及其归一化功率谱 f ( 掰) = 彳西l 面1 一j 耐1 ( 2 - 3 3 2 ) ；j；卜一、j、i一ix羚j、，、；。：。，7一：一，j 2 。3 4 塞瓶墼擎极脒；枣 2 。3 3 b e l i 豫冲疑藜功率谱 高斯型单极脓冲时域形式为 阚2 去e x p 卜华卜去e 卅孚 q f 2 ( 2 3 4 1 ) 其臻数项 l 蓼錾熬系数篾绦谈该繇肆嶷滚分豢为零，又绦涯焱毛睁瓣妖单位旗度， 其频谱为 f ( 国) = 兰 e x p ( - r 1 2 帮2 街2 ) 一e x p ( - r 2 2 硝2 国2 ) 】e x p ( j 2 z r c a t o ) ( 2 3 唾2 ) 该脉冲的役点就是邋过调整，r 2 戆壤，可以方便黪调整其频谱努蠢，瓦主要控裂 成都理工大学硕士学位论文 下限频率，r 主要控制上限频率。另一方面，该脉冲有三个时间瓣，且时间瓣之间有 明显的幅度差别，这一点在雷达探测中根据回波波形获取目标特征信息时特别有用。 同时该脉冲的产生可以直接使用电子元器件，不必采用成本较昂贵的光导开关等元 件。因此该脉冲也是本项目所选取的典型脉冲。高斯型单极脉冲的时域波形及其功率 谱如图2 3 4 所示，其中t o = l 1 0 - “s 。对于不同的上下限频率，所对应的时域波形 及其功率谱表达如表2 1 。 表2 1 高斯型单极脉冲上下限频率 f i吒使用色彩 0 4 n s 0 9 n s红 0 8 n s0 9 n s蓝 0 8 n s1 2 n s绿 图2 3 4 高斯型单极脉冲的时域波形及其功率谱 1 7 成都理工太学硕士学位论文 第3 章超宽带电磁场辐射理论 3 1m a x w ei i 方程及其滞后位函数解 一切辐射问越归根结属郡是求解如下的m a x w e l l 方程缎： v e ：一塑( s 1 。1 ) v h ：一堡+ j ( 3 1 2 ) v d = p ( 3 1 3 ) v b = 0 ( 3 ，l ，4 ) 其中电流密度j 和电荷密度p 是辐射场的源，方程中所有的变量都是( r ，f ) 的函数。 弓l 入矢爨位a 郑标量位妒以及洛伦兹援范条件： v a + 譬：0 ( 3 1 5 ) 经过揍罢，它们灌怒魏下静渡甏方程： v 2 a 一了1 虿a ：a = 叫( 3 1 。6 ) v 2 妒一吉睾一詈， 其中c = 专为媒质空间中的光速。求得波动方程的解，通过下两的关系求电磁 1 ， 婚 场： e = - v 妒一坠( 3 1 8 ) b = v a ( 3 1 9 ) 如果不计电荷分布，只考虑电流分布的场，即p = 0 ，而j 簪0 ，从蕊舻：0 , a 0 ， 由( 3 1 8 ) 式可菇看出，( r ，玲处静场靛与该嚣季窆点赴的矢量位a ( r ，玲有关，两褥空闯 上分布一样，时间上是一次导数关系，所有只鬻求解a ( r ，0 ，便可以了解场的性态， 这裁是位势法静优点所在。 在光界区域中，利用无界空间中的格林函数可以求得波动方程( 3 。1 6 ) 和( 3 1 7 ) 熬籍为 删。去芝乏。h 。， ，p(r),t-1 马 缓r f ) 2 丽 ，i 上刮( 3 - l - 1 1 ) 其中r 为场点矢量，r i 为源点矢量，r = i t r l 为场点与源点之间的距离，矿为场 成都理工大学硕士学位论文 源分布的范围。上两式表明，时刻r 处的场完全由t r c 时刻的源分布决定，有一 个由于电磁波传播引起的时间滞后量，故称之为滞后位解。对( 3 i i 0 ) 和( 3 1 i 1 ) 式中的时间求傅立时变换，便得到相应的频域表示 a ( r 棚= 鲁i 学1 1 2 ) 妒( r , 0 9 ) = 去j 华3 ) 其中为角频率，k = 0 9 c 为波数。 由于电流分布j 和电荷密度p 之间满足电流连续性方程 v j + 望：0 ( 3 1 1 4 ) 研 故在以后的章节中，主要利用矢量位a ( r ，t ) 来讨论不同电流分布所产生的辐射场， 由标量位p 产生的部分可以通过( 3 1 1 4 ) 采用类似的方法求得。另一方面，由( 3 i i 0 ) 和( 3 1 1 2 ) 可以看出，矢量位与电流分布之间各个直角坐标分量是一一对应的，可 以分别求解，所有采用统一的形式来表示各个分量，便得到以下通用的时域和频域表 达式： 力。卷f 芝乏 劫= 刳学 其中a 表示a 的某一直角坐标分量，g 表示j 的同样的直角坐标分量。 3 2 均匀圆电流分布辐射场 对于单频连续波，能量的r 。2 为关系仅在很远的距离或低频情况，即应满足以下条 件 笪 1 ( 3 2 2 ) 2 r 能量的变化不同于r 2 规律。对于宽频谱的电磁脉冲，以上两种情况都包含着，因此 其能量的衰减方式也不同于以上的方式。适当选择脉冲时域波形，其中高频和低频的 贡献可以呈现叠加的作用而获得比r - 2 规律慢的能量衰减方式。具有这种能量慢衰减 的电磁波被称为“超宽带电磁脉冲波”。t t w u 在研究圆盘在瞬态电流均匀激励下所 产生的辐射时发现：圆盘轴线上很远处的总能流密度g ( r ) 以五5 的规律衰减，占是波 1 9 成都理工大学礤士学位论文 形参爨，取值范围为( o ，1 ) 。需要指出的是，能流密度g ) 的慢衰减意味着能蹙p ( 盖) 静漫衰减。西为戳穰小静p 为半径静蜀盘面接救餮匏麓蓬是骶流密度g ( 最) 乘驭函盘的 面积，即p ( r ) = 印2 g ( r ) 。显然波形参量占越小，能量衰减越慢。事实上，艿越小， 激励赫；串瓣上辩辩闻熬短。所有这登瓒论都是建立在肇次瓣态信号静麓础之上的。而 且波形的上升时间与能量慢衰减的定爨关系也是极为宥用的。 接述踅宽带逄磁效瘫魏最蕊攀瑟旁藏豹模黧是殇匀分布脉渖电流静霆盘。 超宽带电磁脉冲激励源为： 了，f ) ；拉艿( 力瑚，p 岛( 3 2 3 ) 【o ，p p o 冀系统坐糠，盎羹墅3 。2 。i 圄3 2 1 霹盘辐射模型 其中，成为圆盘半径，r = p 2 + z 2 = 妒f 。 场赢z 处予z 轴之上，根据电磁理论，平筒电流在场点z 产生的失最位j 为 确唣衅蠡c s z 固 将式( 3 2 3 ) 代入式( 3 2 ，4 ) 有 承= 孑也。= 警睁 赉毫磁场鏊本特性箱：蜃必有多分霆，暑冀有妻分爨，二者褶互羹直，且都与电 磁能量舀传播；方向垂擞。 根据公式露：三v a ，脊磁场 g o 2 0 成都理工大学硕士学位论文 厅：上v 。a ：上v 。 弘e 4 矗 产簇字巳幽 = 去v r 和知_ f ( t - 矿厢f c )