作者：邱力军 董秀珍 王健琪 王海滨 杨国胜 杨波 荆西京
【关键词】 有耗分层媒质
关键词: 有耗分层媒质;传输特性;生命信号
摘 要:目的 频率域上研究生命信号在分层媒质中的传输特性. 方法 利用电磁波传输理论与计算机仿真相结合，对有耗分层媒质反射系数、透射系数、介质损耗系数、介质界面传输系数等传输特性在整个复频域内特性的分析与比较，分析生命信号在有耗层状媒质中传输的频率特性. 结果 给出了生命信号（载波为毫米波段）在其中传输时场强振幅损耗、界面传输系数与载波频率、媒质分层厚度之间的关系，得出各介质参数及发射频率与传输特性的关系，理论分析与计算结果一致. 结论 在同一种有耗媒质中，在一定范围内，频率越高，信号振幅衰减越大，传输的距离越近，但在毫米波段其基本上没有变化.
Keywords:lossy layered media;propagation characteristic;vital signals
Abstract:AIM To study the propagation characteristic of vital signals in layered media.METHODS Combining the theory of propagation in the lossy layered media with the technology of computer simulation，the propagation charac-teristic was analyzed and compared，through which the vital signals propagation characteristic in layered media was ana┐lyzed.RESULTS Relationship about the media parameters and propagation characteristic was obtained.The theoretical analysis and the results of calculation were identical.CON┐CLUSION Attenuation of millimeter wave caused by lossy medium is nearly constant.
0 引言
生命探测系统，利用目标的电磁散射特性探测有耗分层媒质（如建筑废墟、泥土、积雪等）中的生命存在.根据电磁波照射人体，其反射波中必然加载有人体的生理信息，人体微动与回波幅度、相位等之间具有相关性
［1，2］ ，系统通过接收、处理生命目标的反射回波信号可探测出生命目标在分层媒质中的位置及生命特征（如人体呼吸、心跳等参数），但生命探测系统发射的信号是在有耗分层媒质中传输的，有耗分层媒质对系统发射波及接收回波传输特性的影响较大.
我们的目标是研究在有耗分层媒质中生命信号的传输特性.通过对有耗分层媒质反射系数、透射系数、介质损耗系数、介质界面传输系数等传输特性在整个复频域内特性的分析与比较，给出了生命信号（载波为毫米波段）在其中传输时场强振幅损耗、界面传输系数与载波频率、媒质分层厚度之间的关系.理论分析和计算结果一致，为研制有耗分层媒质生命探测系统提供了理论依据.
1 传输特性分析
有耗分层媒质中生命探测的基本原理如Fig1所示.假设有耗分层媒质磁导率、介电常数、电导率分别为μ1 ，μ2 ，…，μN 、ε1 ，ε2 ，…，εN 和σ1 ，σ2 ，…，σN ，空气中磁导率、介电常数分别为μ0 ，ε0 ，电导率为零.虽然生命信号在有耗分层媒质中的传输特性主要由媒质反射系数、透射系数、损耗系数、界面传输系数等参数决定，考虑到生命探测系统向分层媒质表面发射电磁波，一部分以反射系数R反射回空气中，另一部分以透射系数T传输到分层媒质中，由于系统探测的是分层媒质中的生命目标情况，因此我们感兴趣的是透 射到分层媒质中的信号传输情况.
图1 略
由电磁理论分析可知，当电磁波以平行极化（电场方向平行于电磁波入射方向）入射到有耗分层媒质时，平面分层媒质的反射系数及透射系数可由如下公式［3］ 求出:T0=1t ∏Nn=1 Mn S 1R其中t= ∏Nn=0 tn，n+1 ;tn，n+1 =1-rn+1，nrn+1，n =μn γn+1 +μn+1 γn μn γn+1 -μn+1 γn ;S= 1-γN+1，N-γN+1，N 1M
n =exp（-γn dn ）-rn，n-1 exp（-γn dn ） -rn，n-1 exp（γn dn ）exp（γn dn ） ;γn =an +jβna
n =ωμ n ε n2 1+ σn ωεn2 -11/2 ;βn =ωμn ωn2 1+ σn ωεn2 +11/2 这里R是反射系数，T是透射系数，ω是入射波频率.此时，介质界面传输系数为［4］ :P1 =2η1 /（η0 +η1 ），P2 =2η2 /（η1 +η2 ），…，PN =2η N /（ηN-1 +ηN ）式中，η0 =（μ/ε）1/2 为空气中的波阻抗，ηn 为有耗分层媒质中的复数波阻抗:ηn =（μn /ε n ）1/2 =［μn /（εn +σn /jω）］1/2γn 为有耗分层媒质中的复数传播常数，有γn =ω（μn ε n ）1/2 =［μn （εn +σn /jω）］1/2 =an +jβn并且有耗分层媒质中的电磁波，在传播方向上，波的振幅按指数律减小［4］ ，其损耗系数为上式中的an .对于某些低损耗媒质，并且它们的电导率σ都极低，当满足σ/（ωε）&<&<10-2 条件时，其损耗系数an 可近似为:an ≈σn （μn /ωn ）1/2 /2系统工作于有耗分层媒质环境中，信号传输不仅 受到媒质损耗系数的影响，而且受到媒质界面传输系数的影响.当系统发射信号频率高于一定值后，即可满足σ/（ωε）&<&<10-2 的条件，此时媒质损耗系数基本与频率无关.
对于单层媒质，即为Fig1中N=1时的情况.此时分界面有两个，界面（1）与界面（2）.已知界面（1）、界面（2）的传输系数为P1 ，P2 ，则有耗单层媒质的损耗系数为a1 ，界面传输系数为:P=P1 P2 =4η0 η1 /（η0 +η1 ）2 当媒质参量分别为:εr1 =4，μr1 =1，σ1 =10-4 ;εr1 =10，μr1 =1，σ1 =10-2 时，即媒质为干燥土壤或潮湿土壤［4］ 条件下，在1～50GHz的频带范围内计算信号在有耗媒质中的振幅衰减系数以及其界面传输系数，即信号在有耗媒质中传输的频谱特性，如Fig2所示.这里界面（1）和界面（2）的外侧均为空气介质，即εr0 =1，μr0 =1，σ0 =0，媒质厚度为d1 =0.5m.Fig3给出了频率为2GHz和35GHz的条件下，随着媒质厚度的改变振幅衰减系数变化的情况.
3 讨论
由Fig2结果可得，有耗媒质（干燥或潮湿）的振幅衰减系数频谱，在毫米波段随着入射波频率的增大其基本保持不变，并且界面传输系数随频率的变化也很小，与理论分析结果一致.由Fig3给出振幅损耗系数与媒质分层厚度之间的关系.明显可见，媒质越厚，信号振幅衰减越大.通过上面分析计算可知，在同一种有耗媒质中，在一定范围内，频率越高，发射信号振幅衰减越大，传输的距离越近，但在毫米波段其基本上没有变化.
在毫米波段进行有耗分层媒质中生命探测时，考虑到埋藏媒质大多是混凝土，它主要是由沙石材料组成的，电导率一般小于10-2 ，由上述结论可知，不仅埋藏媒质界面对信号传输的影响较小，而且媒质损耗对信号传输的影响基本保持不变.因此在系统设计时，发射频率的选取主要考虑生命特征信号提取的精度及易实现性.另外，由于近距离介质表面反射比较强，强反射信号进入系统接收机，将容易导致接收机饱和，影响系统正常工作，因此系统要降低接收机在近距离时的灵敏度，以提高其动态范围.
图2 － 图3 略
参考文献:
［1］Chuang HR，Devendra M，Wang H.An X-Band microwave life-detection systems ［J］.IEEE Trans on BME，1986;33（7）:747-750.
［2］Miyakawa M.Tomographic measurement of temperature change in phantoms of the human body by chirp radar-type microwave computed tomograph ［J］.Med Biol Eng Comput，1993;31（8）:31-36.
［3］Li SZ，Zhang YZ.Analysis of the EM wave propagation charac-teristic in lossy stratified medium the sounding of earth strata’sdepth ［J］.Dianzi Xuebao（J Electronics），1990;18（1）:93-97.
［4］Bi DX.Diancichang Lilun（The theory of electromagnetic field）［M］.Beijing:Dianzi Gongye Chubanshe（Electronic Industries Publishing House），1985:382-390.