Аналіз імпульсного електромагнітного поля у часовому просторі на границі розділу двох середовищ
Анотація
Актуальність. Надкороткі імпульси електромагнітного поля широко застосовуються у будівництві, археології та розмінуванні тощо шляхом побудови ефективних георадарів підстиляючої поверхні, але теоретичне дослідження фізичних процесів опромінення середовища обмежене вузьким колом спрощених модельних задач, як правило, у частотній області. Тому особливу значущість для розуміння можливостей і обмежень георадарних досліджень мають розв’язки задач проникнення імпульсної хвилі з довільною часовою залежністю у матеріальне середовище.
Мета роботи. Отримати аналітичний розв’язок у часовому просторі задач відбиття і проходження імпульсної електромагнітної хвилі через границю розділу двох середовищ, що є першим модельним наближенням до опису фізичних процесів, які мають місце при функціонуванні імпульсного надширокосмугового радару.
Матеріали та методи. Задача опромінювання нестаціонарним електричним полем середовища без втрат із заданою діелектричною проникністю розв’язується аналітично з використанням еволюційного підходу. Він полягає у розв’язанні задачі Коші для диференціального рівняння другого порядку у частинних похідних типу Клейна–Гордона відносно еволюційних коефіцієнтів. Компоненти електромагнітного поля у вільному просторі знаходяться шляхом інтегрування по спектральних параметрах та сумування по кутових модах з відповідними комбінаціями базисних функцій.
Результати. Розв’язані задачі Коші для диференціальних рівнянь, що описують поведінку відбитої та заломленої хвиль. Знайдені електричні поперечні компоненти відбитої та заломленої хвиль як функції часу на поздовжній осі для випадку опромінення хвилею з часовою залежністю у вигляді одиничного стрибка. Побудовано та проаналізовано графіки залежності електричних компонент від часу та координат.
Висновки. Вперше продемонстроване явище електромагнітного снаряду у середовищі, що опромінене імпульсною електромагнітною хвилею надкороткої тривалості. Отримані результати можна узагальнити для випадку імпульсу довільної форми за допомоги методу інтегралу Дюамеля. Крім того, в подальшому можна розглянути електричне поле для точок спостереження, що не лежать на поздовжній осі. Ще більш цікавим продовженням досліджень з точки зору енергетичного аналізу є вивчення поведінки поздовжньої електричної та поперечної магнітної компонент.
Завантаження
Посилання
2. Blaunstein N, Christodoulou CG. Electromagnetic Aspects of Wave Propagation over Terrain. In Radio Propagation and Adaptive Antennas for Wireless Communication Networks. Wiley; 2014, p. 81 – 116. https://doi.org/10.1002/9781118816707.ch4.
3. Li C, Zhao J, Peng S, Lin P. Enhancing Subsurface Diffractions Using Demigration Method. in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2021 July;18(7):1179-1183. https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2998106
4. Plakhtii V, Dumin O, Pryshchenko O. Kirchhoff Migration Method for Tube Detection with UWB GPR. IEEE 26th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED-2021); 2021. p. 181-184. doi: https://doi.org/10.1109/DIPED53165.2021.9552330
5. Smitha N, Ullas Bharadwaj DR, Abilash S, Sridhara SN, Singh V. Kirchhoff and F-K migration to focus ground penetrating radar images. International Journal of Geo-Engineering. 2016 Apr 15;7(1). https://doi.org/10.1186/s40703-016-0019-6
6. Windsor CG, Capineri L, Falorni P. A Data Pair-Labeled Generalized Hough Transform for Radar Location of Buried Objects. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2014 Jan;11(1):124–7. https://doi.org/10.1109/LGRS.2013.2248119.
7. Wei Li, Huilin Zhou, Xiaoting Wan. Generalized Hough Transform and ANN for subsurface cylindrical object location and parameters inversion from GPR data. 2012 14th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR). 2012 Jun; https://doi.org/10.1109/ICGPR.2012.6254874.
8. Bloemenkamp RF, van den Berg PM. Time-domain gradient-type methods for inversion of the subsurface. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2001 Digest Held in conjunction with: USNC/URSI National Radio Science Meeting (Cat No01CH37229). https://doi.org/10.1109/APS.2001.959809.
9. Zhong W, Jun L, Shengbao Y, Yanju J, Guohua Z. ATTEM: An Instrument System Using Transient Electromagnetic Pulse for Subsurface Imaging. 2006 IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. 2006 Apr; https://doi.org/10.1109/IMTC.2006.328568.
10. Teixeira FL, Weng Cho Chew. Finite-difference computation of transient electromagnetic waves for cylindrical geometries in complex media. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2000 Jul;38(4):1530–43. https://doi.org/10.1109/36.851953.
11. Pryshchenko O, Dumin O, Plakhtii V, Pochanin G. Subsurface Object Detection in Randomly Inhomogeneous Medium Model. 2021 IEEE 3rd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON); 2021 Aug 26; p. 167-171. doi: https://doi.org/10.1109/UKRCON53503.2021.9575688.
12. Tretyakov OA. Essentials of Nonstationary and Nonlinear Electromagnetic Field Theory. In: Hashimoto M, Idemen M, Tretyakov OA, editors. Analytical and numerical methods in electromagnetic wave theory. Ch. 3. Tokyo: Science House Co., Ltd.; 1993.
13. Nikitskiy SB, Tretyakov OA, Yemelyanov KM. Waveguide propagation of electromagnetic step signal. MELECON ’98 9th Mediterranean Electrotechnical Conference Proceedings (Cat No98CH36056) (MELECON–98); 1998. p.263–266. https://doi.org/10.1109/MELCON.1998.692387
14. Dumin O, Tretyakov O. Radiation of arbitrary signals by plane disk. MMET ’96 VIth International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory Proceedings; Lviv, Ukraine. pp. 248–251. https://doi.org/10.1109/MMET.1996.565704
15. Tretyakov OA, Dumin AN. Emission of Nonstationary Electromagnetic Fields by a Plane Radiator. Telecommunications and Radio Engineering. 2000;54(1):2–15. https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v54.i1.10
16. Dumin OM, Tretyakov OA, Akhmedov RD, Dumina OO. Evolutionary approach for the problem of electromagnetic field propagation through nonlinear medium. Visnyk of V.N. Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics”. 2014;24(1115):23-28.
17. Akhmedov R, Dumin O, Katrich VA. Impulse radiation of antenna with circular aperture. Telecommunications and Radio Engineering. 2018;77(20):1767–84. https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v77.i20.10
18. Havrylenko D, Dumin O, Plakhtii V. Irradiation of Medium by Plane Disk with Uniform Distribution of Transient Current. 2021 IEEE 26th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED). 2021 Sep 8; p. 74-77, https://doi.org/10.1109/DIPED53165.2021.9552298.
19. Borisov VV. Unsteady fields in waveguides. L.: Ed. LGU; 1991. 156 p. (In Russian)
20. Dekanosidze EN. Tables of cylindrical functions of two variables. M.: Ed. Academy of Sciences of the USSR; 1956. 492 p. (In Russian)
21. Tretyakov OA, Dumin AN. Radiation of non-stationary electromagnetic fields by a flat radiator. Electromagnetic waves & electronic systems. 1998;3(1):12-22. (In Russian)
22. Prudnikov AP, Brychkov YuA. Marichev OI. Integrals and series. Special features. M.: Nauka; 1983. 752 p. (In Russian)
23. Tretyakov OA. Propagation of Super – Wideband Signals through Waveguides.In: Proc. International Conf. on Math. Methods in Electromagnetic Theory V (MMET–94); 1994; Kharkiv, Ukraine. p. 434.
24. Watson GN. Theory of Bessel functions. part 1. M.: Ed. foreign literature; 1949. 450 p. (In Russian)
25. Tamm IE. Fundamentals of the theory of electricity: Proc. Allowance for universities. 11th ed. correct and additional Moscow: FIZMATLIT; 2003. 616 p. (In Russian)
26. Wu TT. Electromagnetic missiles. J. Appl. Phys. 1985;57(7):2370–2373.
27. Sodin LG. Antenna impulse radiation (electromagnetic projectile). Radio engineering and electronics. 1991;36(5):1014–1022. (In Russian)
28. Dumin OM, Plakhtiy VA, Prishchenko OA, Shirokorad DV. Recognition of objects under the surface of the earth with over-wide-space radio-introscopy for the help of piece-wise neural networks. Visnyk of VN Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics”. 2018;28:24-29. (In Ukrainian)
29. Influence of denoising of input signal on classification of object location by artificial neural network in ultrawideband radiointroscopy. Visnyk of VN Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics” 2019;(31):27-5. https://doi.org/10.26565/2311-0872-2019-31-03
30. Detection and classification of landmines using UWB antenna system and ANN analysis. Visnyk of VN Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics.” 2020;(33):7-19. https://doi.org/10.26565/2311-0872-2020-33-01
31. Discrete tomography method for the processing of ultrawideband subsurface radiolocation by artificial neural network. Visnyk of VN Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics.” 2018;(29):17-6. https://doi.org/10.26565/2311-0872-2018-29-03
32. Capineri L, Falorni P, Borgioli G, Bossi L, Pochanin G, Ruban V, et al. Background Removal for the Processing of Scans Acquired with the, “UGO-1st”, Landmine Detection Platform. 2019 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS-Spring). 2019 Jun; p. 3965-3973. https://doi.org/10.1109/PIERS-Spring46901.2019.9017781.
