Application of the auxiliary sources method in the inverse problem of localization of a cylindrical impedance scatterer

Abstract

In this article, based on the Method of Auxiliary Sources (MAS), an algorithm is proposed for localizing cylindrical scatterers filled with a medium characterized by a complex permittivity varying across a wide range of values. The cylinder was coaxially excited by a monochromatic electric current filament. The direct problem was solved using MAS with impedance boundary conditions applied to the surface of the cylinders. The method for solving the inverse problem is based on determining the amplitudes of auxiliary sources (AS), whose fields are expressed as the Green's function of the problem (specifically, Hankel and Bessel functions of zero order). The complex amplitudes of AS were determined from the boundary conditions matching the tangential components of the electromagnetic field in the air region along the spatial observation curve of the field scattered by the cylinder. The final amplitudes of AS were employed for numerically extending the wave fields from the observed scattered-field curve into the surrounding space. It is demonstrated that the proposed method enables reliable localization of cylindrical objects with variable surface impedance covering a broad range of values. Importantly, the distance between the field observation point and the localized cylinders must remain within 3-5 wavelengths.

• subsurface radiolocation
• auxiliary source method
• diffraction

Аннотация (на русском)

Применение метода дискретных источников в обратной задаче локализации цилиндрического импедансного рассеивателя

В данной работе на основе метода дискретных источников (МДИ) предложен алгоритм локализации цилиндрического рассеивателя, заполненного средой с комплексной диэлектрической проницаемостью (КДП), меняющейся в широком диапазоне значений. Среда возбуждалась монохроматической нитью электрического тока, ориентированной соосно цилиндрическому рассеивателю. Прямая задача решалась методом МДИ с импедансными граничными условиями на поверхности цилиндра. Метод решения обратной задачи основан на нахождении амплитуд вспомогательных дискретных источников (ДИ), поля которых представлялись в виде функции Грина задачи (функция Ханкеля и Бесселя нулевого порядка). Комплексные амплитуды ДИ находились из граничных условий сшивания тангенциальных компонент электромагнитного поля в воздушной среде на пространственной кривой наблюдения поля, рассеянного цилиндром. Окончательно найденные амплитуды ДИ использовались для численно-аналитического продолжения волновых полей с кривой наблюдения, рассеянного поля, в окружающее пространство. Показано, что предложенный метод позволяет уверенно локализовать цилиндрические объекты, поверхностный импеданс которых меняется в широком диапазоне значений. При этом существенным является расстояние наблюдения поля от локализованных цилиндров, которое не должно превышать 3-5 длин волн падающего поля.

For citation

References

1. Iatropoulos V.G., Anastasiadou M.T., Anastassiu H.T. Electromagnetic scattering from surfaces with curved wedges using the method of auxiliary sources (MAS) // Applied Sciences. - 2020. - Vol. 10. - № 7. - С. 2309.
2. Tabatadze V., Karaçuha K., Zaridze R. Electromagnetic Scattering from 2-D Conducting Objects of Arbitrary Smooth Shape: Complete Mathematical Formulation of the Method of Auxiliary Sources for E-Polarized Case //Progress In Electromagnetics Research M. - 2022. - Vol. 114.-P. 117-125.
3. Kouroublakis M., Tsitsas N.L., Fikioris G. Shielding effectiveness of ideal monolayer graphene in cylindrical configurations with the method of auxiliary sources // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2022. - Vol. 64. - № 4. - P. 1042-1051.
4. Papakanellos P.J., Tsitsas N.L., Anastassiu H.T. The Method of Auxiliary Sources (MAS) in Computational Electromagnetics: A Comprehensive Review of Advancements over the Past Two Decades // Electronics. - 2024. - Vol. 13. - № 17. - P. 3520.
5. Zaridze R. et al. The method of auxiliary sources (MAS)-Solution of propagation, diffraction and inverse problems using MAS // Applied Computational Electromagnetics: State of the Art and Future Trends. - 2000. - P. 33-45.
6. Zaridze R. et al. Wave field singularity aspects in large-size scatterers and inverse problems // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2002. - Vol. 50. - № 1. - P. 50-58.
7. Tabatadze V., Karaçuha K., Karaçuha E. Body shape and complex permittivity determination using the method of auxiliary sources // Progress In Electromagnetics Research M. - 2019. - Vol. 87. - P. 115-125.
8. Karamehmedović M. et al. Application of the method of auxiliary sources to a defect-detection inverse problem of optical diffraction microscopy // Journal of the European Optical Society-Rapid Publications. - 2010. - Vol. 5. - P. 10021.
9. Митра Р. Вычислительные методы в электродинамике. М.: Издательство Мир, 1977.-485 p.
10. Музалевский К.В. Метод дискретных источников для задачи подповерхностного радиозондирования сверхширокополосными импульсами двумерных диэлектрических тел // Радиотехника и электроника. - 2024. - Т. 69. - № 11. - C. 1039-1052.
11. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.: Энергия, 1967. - 376 с.
12. Stogryn A. Equations for calculating the dielectric constant of saline water (correspondence) // IEEE transactions on microwave theory and Techniques. - 1971. - Vol. 19. - № 8. - P. 733-736.
13. Mironov V.L. et al. A dielectric model of thawed and frozen Arctic soils considering frequency, temperature, texture and dry density // International journal of remote sensing. - 2020. - Vol. 41. - № 10. - P. 3845-3865.