Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2021, № 11 · RADIO WAVE PROPAGATION

Propagation of video pulse signals in dissipative media

O.A. Gulevich1, L.B. Volkomirskaya1, I.V. Mingalev2, Z.V. Suvorova2, O.I. Akhmetov2, O.V. Mingalev2, A.E. Reznikov1

1 Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences (IZMIRAN), Moscow, Russia
2 Polar Geophysical Institute, Apatity, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2021.11.8 UDC 537.87 EDN FYCCGD

Abstract

The results of the numerical solution of the problem of propagation of an electromagnetic video pulse signal of nanosecond duration in a dissipative medium are presented for use in the deep georadar data interpretation. Based on the developed scheme for integrating Maxwell's equations, the results of numerical modeling of the propagation of electromagnetic pulses of various shapes without approximations, usually used in the traditional solution of GPR problems, including the separation of temporal and spatial variables of the electromagnetic field and neglect of the rapid field change in comparison with the processes occurring in the medium, are obtained. The influence of the pulse shape on the shape of the electromagnetic echo signal is considered for various models of the medium close to real conditions, including those with a gradient change in electrical conductivity and permittivity. The influence of the distribution of electrical conductivity of the medium is studied.

  • numerical integration
  • gpr
  • Conductivity gradient
  • video pulse
Аннотация (на русском)

О распространении видеоимпульсных сигналов в диссипативных средах

Представлены результаты численного решения задачи распространения видеоимпульсного электромагнитного сигнала наносекундной длительности в диссипативной среде с целью применения результатов для интерпретации данных глубинной георадиолокации. Используется схема интегрирования уравнений Максвелла, которая позволила получить результаты численного моделирования распространения электромагнитных импульсов разной формы без использования приближений, обычно применяемых при традиционном решении задач георадиолокации, основанных на разделении временных и пространственных переменных электромагнитного поля и не учитывающих быстрое изменение поля по сравнению с процессами, происходящими в среде под его воздействием. Рассмотрено влияние формы импульса на вид электромагнитного эхосигнала для разных моделей среды, приближенных к встречающимся в реальных условиях, в том числе и с градиентным изменением проводимости и диэлектрической проницаемости. Исследовано влияние распределения электрической проводимости среды.

For citation

Gulevich O.A., Volkomirskaya L.B., Mingalev I.V., Suvorova Z.V., Akhmetov O.I., Mingalev O.V., Reznikov A.E. Propagation of video pulse signals in dissipative media // Journal of Radio Electronics. – 2021. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.11.8

References

  1. Dolgikh Yu.N., Volkomirskaya L.B., Kaygorodov E.P., Sanin S.S., Kuznetsov V.I., Gulevich O.A., Reznikov A.E., Varenkov V.V. The Reflected Electromagnetic Wave CDP Method (ECDP) Testing Results and Possibilities for The Future Oil and Gas Exploration. Proceedings of the conference "Tyumen 2021". March 2021. V.2021. P.1-6. DOI: https://doi.org/10.3997/2214-4609.202150007
  2. Шварцбург А.Б. Видеоимпульсы и непериодические волны в диспергирующих средах (точно решаемые модели). Успехи Физических Наук. 1998. T.168. №1. C.85-103.
  3. Гулевич О.А. О глубинности в георадиолокации с учетом явления интерференции. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.9.8
  4. Волкомирская Л.Б., Гулевич О.А., Резников А.Е. О влиянии формы импульса на перспективы каротажного радиозондирования. Геология и геофизика. 2020. Т.59. №11. С.1603-1614. https://doi.org/10.15372/RGG2019152
  5. Волкомирская Л., Гулевич О., Руденчик Е. Георадиолокация в средах с дисперсией. Зависимость амплитуды и формы импульса георадара от дисперсии среды. Саарбрюккен, Lambert Academic Publishing. 2013. 81 с.
  6. Kane Y. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1966. V.14. №3. P.302-307.
  7. Simpson J.J. Current and future applications of 3-D global Earth-ionospheric models based on the full-vector Maxwell's equations FDTD method. Surveys Geophysics. 2009. V.30. P.105-130. https://doi.org/10.1007/s10712-009-9063-5
  8. Simpson J.J., Taflove A. A review of progress in FDTD Maxwell's equations modeling of impulsive subionospheric propagation below 300 kHz. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2007. V.55. №6. P.1582-1590. https://doi.org/10.1109/TAP.2007.897138
  9. Paul D.L., Railton C.J. Spherical ADI FDTD method with application to propagation in the Earth ionosphere cavity. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2012. V.60. №1. P.310-317. https://doi.org/10.1109/TAP.2011.2167940
  10. Yu Y., Simpson J.J. An E-J collocated 3-D FDTD model of electromagnetic wave propagation in magnetized cold plasma. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V.58. №2. P.469-478. https://doi.org/10.1109/TAP.2009.2037706
  11. Giannopoulos A. Modelling ground penetrating radar by GprMax. Construction and Building Materials. 2005. V.19. №10. P.755-762. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2005.06.007
  12. Мингалев И.В., Мингалев О.В., Ахметов О.И., Суворова З.В. Явная схема расщепления для уравнений Максвелла. Математическое моделирование. 2018. Т.30. №12. С.17-38. https://doi.org/10.31857/S023408790001934-1
  13. Prokopovich, I.; Popov, A.; Pajewski, L.; Marciniak, M. Application of coupled-wave Wentzel-Kramers-Brillouin approximation to ground penetrating radar. Remote Sensing. 2018. V.10. №22. https://doi.org/10.3390/rs10010022
  14. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. Москва, Издательство МГУ. 2004. 155 с.