薄層的電磁波反射特性分析

摘 要針對實(shí)際探測中的需要，本文對薄層的電磁波反射特性進(jìn)行了深入研究。薄層在反射電磁波時，會對入射電磁波進(jìn)行濾波作用，薄層的類型和厚度會影響薄層的濾波特性。

【關(guān)鍵詞】薄層 電磁波反射 濾波效應(yīng)

1 引言

為了獲得地層、墻體等層狀介質(zhì)內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息，人們通常借用電磁波來實(shí)現(xiàn)無損探測，由于電磁波頻率高，波長短，所以電磁波在探測常見的層狀介質(zhì)時能獲得很高的探測分辨率。電磁波在層狀介質(zhì)中傳播時，如果介質(zhì)分界面兩側(cè)波阻抗有差異時，電磁波在分界面上會發(fā)生反射。不同類型和厚度的薄層對電磁波的反射會產(chǎn)生不同的影響，研究薄層的電磁波反射特性對于層狀介質(zhì)電磁波探測具有重要意義。

2 薄層模型分析

建立如圖1所示的薄層分析模型。模型中，三層介質(zhì)的電導(dǎo)率都為0。薄層頂層介質(zhì)和底層介質(zhì)分別為半無限大空間，頂層介質(zhì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε1、μ1，底層介質(zhì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε3、μ3。中間層為薄層，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε2、μ2，厚度為h。

假定電磁波以TE平面波入射到薄層頂界面上，入射波的表達(dá)式為：（kz為入射波沿Z方向的波矢量，kx為入射波沿X方向的波矢量）。薄層的反射系數(shù)R為：

（1）

（1）式中， k2z為是TE平面波在薄層中沿Z方向的波矢量，T12為薄層頂界面在頂層中引起的波的透射系數(shù)，R21為薄層中引起的波的反射系數(shù)，T21為薄層中引起的波的反射系數(shù)透射系數(shù)，R23為薄層底界面在薄層中引起的波的反射系數(shù)。

因?yàn)閨R21R23|<1，對（1）式進(jìn)行級數(shù)展開，得到R的級數(shù)表達(dá)式為：

（2）

因?yàn)楸与妼?dǎo)率為0，所以

，v為薄層中的電磁波傳播速度。實(shí)際探測中， R的表達(dá)式可改寫為：

，其中

，為薄層中電磁波雙程旅行時。

對R的近似表達(dá)式進(jìn)行化簡，得到薄層反射的電磁波Ery為：

（3）

（3）式中：

（4）

（5）

由（3）式，可以看出，薄層反射的電磁波的特性由P（θ）、Q（θ）決定。P（θ）、Q（θ）由薄層的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、厚度以及入射波頻率這些因數(shù)決定。當(dāng)薄層的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、厚度確定時，薄層反射的電磁波的振幅會隨著入射波頻率的變化而變化。當(dāng)入射波為復(fù)合波時，入射波經(jīng)過薄層反射后，反射波的頻譜會發(fā)生改變。

3 結(jié)論

本文對薄層的電磁波反射特性進(jìn)行了研究。薄層反射電磁波時，薄層可以等效為一個濾波器。薄層對電磁波的反射，可以等效為薄層對電磁波進(jìn)行了濾波作用。不同類型、不同厚度的薄層在反射電磁波時，會表現(xiàn)出不同濾波特性。利用該特點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)對薄層類型的識別。

參考文獻(xiàn)

[1]王璞玉，李忠勤，吳利華等.探地雷達(dá)在冰川厚度及冰下地形探測中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2011，41，增刊（1）：393：400.

[2]盧成明，秦臻，朱海龍等.探地雷達(dá)檢測公路結(jié)構(gòu)層隱含裂縫實(shí)用方法研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2007，50（05）：1558-1568.

[3]孔金歐.電磁波理論.吳季譯[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：210-220.

作者簡介

張先武（1983-），男，安徽省廬江縣人。博士學(xué)位。工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

作者單位

1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088

2.孔徑陣列和空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽省合肥市 230088