电磁波穿透墙体的衰减特性

　　穿墙探测(through-the-wall surveillance,简称TWS)[1-2]是指透过墙体或其它障碍物判断有无生命现象的一种探测技术,它主要根据人区别于动物或环境的某些特征,来判断障碍物后有无活着的人员。这种生命探测器可用于军事侦察、公安、武警、消防以及自然灾害中的人员救护等领域,是一种用途广泛的探测设备。近年来,有关穿墙生命探测的研究很多,其中采用主动发射电磁波的宽带有源探测方式成为穿墙探测研究的重点,穿墙探测器的工作频率主要在几百MHz到几GHz,有的达几十GHz,因此有必要对宽频带内电磁波穿透墙体的衰减特性进行研究。从查阅的文献看,关于墙体对该频段电磁波的衰减特性研究很少,主要采用时域有限差分(FDTD)方法进行理论研究,张恒伟等[3]应用FDTD理论分析了建筑墙体对电磁脉冲的响应,Dalke[4]和周璧华等[5]对钢筋混凝土网的穿透性能进行了理论分析,王艳等[6]通过实验测量了墙体对4 GHz微波脉冲的衰减特性。

　　本文主要研究墙体对不同频率电磁波的衰减特性,为研制穿墙生命探测器提供参考。主要应用平面电磁波理和菲涅耳公式进行仿真分析,对不同的极化方式、入射角、介电常数、电导率、损耗角正切和频率下电磁波在界面传输特性及介质中传播的衰减特性进行了比较,对常见的普通混凝土墙、37砖墙、24砖墙、石膏空心板、水泥泡板、木板和有机玻璃等墙体的频率衰减特性进行了仿真,并对新砌墙和多孔砖墙的衰减特性进行了分析,最后将仿真结果与实际测量及参考文献中的实验结果进行了比较。

　　1　有耗媒质电磁特性

　　在麦克斯韦方程组中,媒质与电特性有关的参数有介电常数ε,磁导率μ和电导率σ。介电常数ε表示媒质的极化性能,它描述了介质中束缚电荷在外加电场作用下的偏移性质,真空中传播的介电常数ε0=(1/36π)×10-9F/m,一般介质用相对介电常数εr表示,εr=ε/ε0。当媒质为理想介质时,一周期中电场储能和放能相等,没有能量损耗,此时ε和μ均为实数。实际介质都是有损耗的,有耗媒质分为导电损耗媒质、极化损耗媒质和磁化损耗媒质,或兼而有之。常见的介质通常都是非磁性介质,此时μ≈μ0=4π×10-7H/m,μ0为真空中的磁导率,μr=μ/μ0≈1。考虑极化或导电损耗媒质,此时介电常数用复数表示为：

损耗角正切反映了媒质中的欧姆损耗,是衡量介质损耗特性的一个重要性能参数。当为导电损耗媒质时

式中:ω为角频率[7]。当为极化损耗媒质时,其损耗角正切不为0。σ表示媒质的导电性能,σ=0称为理想介质,σ=∞称为理想导体,介于两者之间的称为导电媒质。

　　根据平面电磁场理论,无界均匀有耗媒质中电磁波的电场表达式为[7]