CN102736116B - 一种基于介质频散差异的电磁波探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介质频散差异的电磁波探测方法及装置，该方法具体为：对可能存在于地下的目标及其相邻媒质进行地面的电参数测试，分析目标和相邻媒质的频散变化规律，找出两者频散差异最大的频段作为电磁波的发射频率范围；在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算探测目标的介电常数，建立频散特性曲线，通过频散特性曲线匹配实现目标识别，并选取发射频率范围内的最高频率对应的回波信号进行反演成像得到探测目标的形状。本发明根据不同介质在不同电磁波频率作用下的差异，识别介质本体的物理特性信息，达到无损探测的目的。

Description

一种基于介质频散差异的电磁波探测方法及装置

技术领域

本发明涉及电磁波探测领域，更具体地，涉及一种基于介质之间频散特性差异的电磁波探测方法及装置,适用于不可视或不可及的目标识别以及目标本征信息的提取。

背景技术

探测技术是20世纪以来发展最迅速的科学技术之一。它利用物质的声、光、电等特性与周围媒质之间的区别，对不可视或不可及的目标体进行检测、定位，给出目标体的形状、位置、物理特性等相关信息。如雷达技术利用目标体对电磁波的响应进行探测；超声波探测方法利用目标体对超声波的传播影响进行探测；红外成像利用目标体对红外波的感应进行探测，等等。

电磁波探测方法是向目标体发射特定参数(频率、波形、波强等等)的电磁波，测量目标体对电磁波的反射、折射、散射等回波信号，从中提取和分离出受目标体影响的信号，通过反演或成像算法，获得目标体的相关信息，是当前各类探测方法中应用最广、发展最快的方法。

介质在外加电磁场的作用下，内部的微观粒子随电磁场运动，致使介质的宏观电参数(如电导率、磁导率、介电常数等)可能随电磁场频率变化而变化。这类介质在地球勘探领域被称为频散介质，这种特性即是频散特性。从微观上分析，介质频散本质上是由于在不同频率激励下，介质内部占主导地位的极化、损耗、磁化机制不同所引起的。

在电磁波探测方法中，假定电磁波的传播速度相对稳定，是根据反射波对目标进行定位的基础。而电磁波穿过频散介质时，电磁波的传播速度会发生变化，这给回波信号解释和成像带来很大困扰。此外，介质频散也会导致不同频率成分的波衰减、相移程度不同，从而导致回波畸变。因此，在现有的探测方法中，常采用各种措施抑制介质频散。例如，地球物理勘探中，通过限制发射信号的波形或频率抑制地下媒质的频散，或通过对回波信号进行滤波、褶积处理，滤掉媒质频散产生的影响。中国发明专利CN102012517A中公开了一种地下介质成像方法及装置，依靠人工激发地震波，获取指定地下深度的波场，进行褶积计算，获得指定地下深度的介质成像。该发明中提到，这种方法能有效减少频散的影响，提高地下介质成像的质量和速度。又如，中国发明专利CN202119699U中公布了基于SH0波的电力系统接地网导体的腐蚀检测装置，专利中指出为了克服兰姆波多模态、频散等缺陷，采用SH0波代替兰姆波进行探测，这种方法对窄条金属结构腐蚀的无损检测更快速、全面。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的偏见，提供一种基于介质之间频散特性差异的电磁波探测方法，根据不同介质在不同电磁波频率作用下，电性参数和电磁波传播参数的差异，识别介质本体的物理特性信息，达到无损探测的目的。

本发明的另一目的在于提供实现上述探测方法的装置。

一种基于介质之间频散特性差异的电磁波探测方法，具体为：

(1)对潜在目标及其相邻媒质进行地面的电参数测试；

(2)根据地面测试的目标和相邻媒质的电参数分析目标和相邻媒质的频散变化规律，找出两者频散差异最大的频段作为电磁波的发射频率范围；

(3)在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；

(4)依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算探测目标的介电常数，进而建立介电常数-频率的频散特性曲线，通过频散特性曲线匹配实现目标识别，并选取发射频率范围内的最高频率对应的回波信号进行反演成像得到探测目标的形状信息。

进一步地，所述电参数包括电导率和介电常数。

进一步地，所述探测目标的介电常数计算方法具体为：结合相邻媒质的电导率对接收的回波信号进行分析得到水平极化的反射系数R_水平和垂直极化的反射系数R_垂直，将反射系数R_水平、R_垂直、相邻媒质的介电常数ε₁、入射电磁波的入射角θ₁代入公式和计算得到目标的介电常数ε₂。

实现所述的基于介质频散差异的电磁波探测方法的装置，包括电磁波收发单元和控制系统；

所述电磁波收发单元用于在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；

所述控制系统用于接收对可能存在于地下的目标及其相邻媒质进行地面测试得到的电参数；根据地面测试的目标和相邻媒质的电参数分析目标和相邻媒质的频散变化规律，找出两者频散差异最大的频段作为电磁波的发射频率范围；控制所述电磁波收发单元在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算探测目标的介电常数，进而建立介电常数-频率的频散特性曲线，通过频散特性曲线匹配实现目标识别，并选取发射频率范围内的最高频率对应的回波信号进行反演成像得到探测目标的形状信息。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1)与常规的探测方法(如探底雷达方法、地震波探测法等等)尽力避免介质产生频散现象相比，本发明创造性提出利用介质频散特性之间的差异进行探测。

2)本发明是依靠介质的电性参数(如电导率、介电常数)随频率的变化规律来确定介质的本征信息。而传统的探测方法通过介质在特定频率的电性参数确定介质的本征信息。介质在特定频段内的电性参数受多种因素影响，在实验中获取其值具有一定分散性，因此，依赖电参数在一定频率下的取值来识别介质存在着一定的探测精度局限。而依赖介质电性参数的频散特征识别介质在一定程度上能克服这种局限。

3)传统的探测方法测量的是目标对某一中心频率电磁波的散射信号，比较的是入射信号和散射信号在时间上的延迟，存在着中心频率决定的探测精度与探测深度之间相互制约的矛盾。而利用物质频散差异进行探测，利用的是不同物质对不同频率电磁波散射信号之间的差异。只要不同频率下，目标体与相邻物质的这种差异存在，即可被识别。因此，这种探测方法可以突破目标尺寸对探测系统分辨率的限制。

附图说明

图1本发明方法整体流程图；

图2电参数测试原理图，图2(a)为接触式测量电路原理图，图2(b)为非接触式测量电路原理图；

图3信号收发处理硬件图；

图4电磁波的反射和透射图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明探测方法具体步骤如下：

步骤1对可能存在于地下的目标及其相邻媒质进行地面的电参数测试。

首先对目标体及其周围相邻媒质进行电参数地面测量实验，确定目标体及其可能的变化产物(如钢铁腐蚀之后的氧化物)和周围媒质的本征电参数随频率的变化规律。对媒质的电参数测试原理如图2所示。一般测量媒质的本征电参数，包括：电导率和介电常数。一般磁导率不随频率变化，因此可以不予测量。对于一般的介质，频散现象发生在1MHz-10GHz内。根据不同频段内采用的测量原理，分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量采用电桥测量样品的阻抗参数，通过计算得到介质的电导率、介电常数和磁导率。非接触法测量样品对已知电磁波信号的折反射，计算得到介质的电参数。目前市场上已有成熟的多样化的仪器和产品可供选择，如阻抗分析仪、网络分析仪，提供这些产品的商家有安捷伦(Agilent)、惠普(HP)、稳科(WK)等等。

步骤2根据对目标和相邻媒质的电参数测试结果，分析目标和相邻媒质的频散变化规律，找出两者频散差异最大的频段。频散差异最大的频段是指该频段内,一种介质的至少一个电参数不随频率变化，而另一种介质的对应相同电参数随频率变化，或两种介质的相同电参数随频率有截然不同的变化规律，如一升一降、一缓变一陡变等。

步骤3向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号

首先，确定电磁波的收发参数。电磁波的收发参数主要指频率范围和输出功率，频率范围和输出功率决定了收发天线的形状、尺寸、方向性等参数。将目标和相邻媒质之间频散差异最大的频段作为激励信号的输出频段,即电磁波的发射频率范围,并在发射频率范围内以一定步长计算出各个发射频率，步长越小，探测精度越高。根据目标的探测深度或电磁波到达目标体需穿透的距离，确定电磁波激励信号的输出功率。

其次，根据电磁波的频带范围计算出对收发天线的要求，(如尺寸、方向、中心频率等等)。实验人员据此选择对应的天线产品，并完成天线系统与测量系统的连接和调试。

最后，控制系统将携带各个发射频率及输出功率信息的指令发送给微波发生器和功率放大器，以产生相应频率和功率的电磁波信号，并向目标体发射出去，开始进行探测。接收天线和采样电路采集目标反射或散射回来的发射频率范围内的各个频率回波信号，经过滤波和A/D转换之后提交给控制系统进行处理。

步骤4依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算探测目标的电参数，进而建立频散特性曲线，通过频散特性曲线匹配实现目标识别，并选取发射频率范围内的最高频率对应的回波信号进行反演成像得到探测目标的形状信息。

在传统探地雷达领域，在发射波的中心频率是由目探测深度和探测要达到的分辨率来确定的，对于小尺寸目标体，必须采用很高的中心频率的发射波，才能达到探测要求，但当中心频率越高，则同等功率下探测的深度越低，因此探测深度和分辨率的要求,限制了探地雷达的推广应用。另外，探地雷达只采用一个中心频率的发射波，对于地下目标体本征信息的判断不足，容易误判。而本发明根据不同介质在不同频率段响应的不同，进而推算出目标的频散特性，从而实现目标识别。相对传统方式，本发明判别信息更多，有利于减少误判的可能性，提高识别准确性。

具体过程如下：

(41)对接收的回波信号进行分析处理得到水平极化和垂直极化的反射系数和折射系数；

电磁波在在无损媒质中传播时,

式中，E_i水平、E_r水平、E_t水平、R_水平、T_水平分别指入射波中水平极化电场振幅、反射波中水平极化电场振幅、折射波中水平极化电场振幅和水平极化的反射系数和折射系数，E_i垂直、E_r垂直、E_t垂直、R_垂直、T_垂直分别指入射波中垂直极化电场振幅、反射波中垂直极化电场振幅、折射波中垂直极化电场振幅和垂直极化的反射系数和折射系数；

在有损媒质中传播时，电磁波的衰减系数可表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\ω}}{C_0}\×\\ {\left\{\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_0}\mathrm{Re}\right[{\mathrm{\ϵ}}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)]\sqrt{1+Q^{-1}\left(\mathrm{\ω}\right)}-1\}}^{1/2}\end{array}---\left(7\right)$

其中： ${\mathrm{\ϵ}}^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)+j{\mathrm{\ϵ}}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)+j\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ω}}$

式中，ε^*(ω)指相邻媒质的复介电常数，其与介电常数ε(ω)和电导率σ相关，ω为电磁波频率，Q为品质因数，μ_r为相邻媒质的磁导率，ε₀为真空介电常数；

在有损介质中传播时，将电场振幅乘以衰减系数，即可得到准确的折、反射系数。

(42)依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算目标的介电常数，进而建立频散特性曲线；

参考图4，反射系数、折射系数与目标和相邻媒质的介电常数存在如下已知关系：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sin {\mathrm{\θ}}_2}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\ϵ}}_2}}---\left(1\right)$

ε₁、μ₁分别为相邻媒质的介电常数和磁导率,ε₂、μ₂分别为目标的介电常数和磁导率,θ₁为入射波的入射角,θ₂为折射波的折射角。

由于大多数介质为非磁性介质，磁导率均为真空磁导率μ₀，即：μ₁＝μ₂＝μ₀，所以(1)式可变为：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{\sin {\mathrm{\θ}}_2}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}}---\left(2\right)$

任意极化的电磁波可以分解为两个互相垂直的线性极化波的叠加，一般分为水平极化和垂直极化。

水平极化时，反射系数R与传输系数T为：

而垂直极化时，反射系数R与传输系数T为：

由上述关系式可以看出，在非磁性介质中，将反射系数、折射系数与目标和相邻媒质的电参数代入关系式(3)和(5)即可计算得到地下目标的介电常数，从而建立地下目标的电常数-频率的频散特性曲线。

(43)当地下目标的频散曲线能够与某种介质的频散特性相吻合时，则可以判断地下目标体即为该介质，从而完成了对地下目标体的判别。然后，选取频散段的最高频率的回波信号，进行反演成像得到地下目标体的形状信息。最后，结合目标体的本征信息和形状信息，完成全面、完整的反演成像。

图3给出实现本发明方法的装置结构图，包括所述电磁波收发单元用于在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；

所述控制系统用于接收对可能存在于地下的目标及其相邻媒质进行地面测试得到的电参数；根据地面测试的目标和相邻媒质的电参数分析目标和相邻媒质的频散变化规律，找出两者频散差异最大的频段作为电磁波的发射频率范围；控制所述电磁波收发单元在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算探测目标的介电常数，进而建立频散特性曲线，通过频散特性曲线匹配实现目标识别，并选取发射频率范围内的最高频率对应的回波信号进行反演成像得到探测目标的形状信息。

电磁波收发单元主要包括发射天线系统、功率放大器、微波发生器、接收天线系统、采样电路、带通滤波器和A/D转换器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于介质频散差异的电磁波探测方法，包括以下步骤：

（1）对潜在目标及其相邻媒质进行地面的电参数测试；

（2）根据地面测试的目标和相邻媒质的电参数分析目标和相邻媒质的频散变化规律，找出两者频散差异最大的频段作为电磁波的发射频率范围；

（3）在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；

（4）依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算探测目标的介电常数，进而建立介电常数-频率的频散特性曲线，通过频散特性曲线匹配实现目标识别，并选取发射频率范围内的最高频率对应的回波信号进行反演成像得到探测目标的形状信息。

2.根据权利要求1所述的基于介质频散差异的电磁波探测方法，其特征在于，所述电参数包括电导率和介电常数。

3.根据权利要求2所述的基于介质频散差异的电磁波探测方法，其特征在于，所述探测目标的介电常数计算方法具体为：

结合相邻媒质的电导率对接收的回波信号进行分析得到水平极化的反射系数R_水平和垂直极化的反射系数R_垂直，将反射系数R_水平、R_垂直、相邻媒质的介电常数ε₁、入射电磁波的入射角θ₁代入公式和计算得到目标的介电常数ε₂。

4.实现权利要求1所述的基于介质频散差异的电磁波探测方法的装置，包括电磁波收发单元和控制系统；

所述电磁波收发单元用于在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；

所述控制系统用于接收对可能存在于地下的目标及其相邻媒质进行地面测试得到的电参数；根据地面测试的目标和相邻媒质的电参数分析目标和相邻媒质的频散变化规律，找出两者频散差异最大的频段作为电磁波的发射频率范围；控制所述电磁波收发单元在发射频率范围内向探测目标发射电磁波，并接收探测目标的回波信号；依据不同频率的电磁波信号和回波信号计算探测目标的介电常数，进而建立介电常数-频率的频散特性曲线，通过频散特性曲线匹配实现目标识别，并选取发射频率范围内的最高频率对应的回波信号进行反演成像得到探测目标的形状信息。