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探地雷达GPR正演模拟的时域有限差分实现 总被引：1，自引：13，他引：1
近年来，随着数字处理技术和电子技术的飞速发展，探地雷达（GPR）的实际应用范围迅速扩大，现已覆盖考古、矿产资源勘探、水文地质调查、岩土勘查、无损检测、工程建筑物结构调查、军事等众多领域，解决了很多工程实际问题，成为浅层勘探的有力工具.而探地雷达的理论研究与实际的应用相比，具有明显的滞后性.但是解释人员要达到精确地对探地雷达实际资料的进行解析，必须事先了解地质体的雷达反射剖面的特征，所以作为反演与解释基础的复杂地电模型的探地雷达正演模拟技术，就成了探地雷达理论研究的主要内容之一.本文以麦克斯韦两个旋度方程为基本出发点，运用K.S.Yee的空间网格模型理论和时域有限差分法的基本原理，推导出二维空间的探地雷达正演方程组，并详细地分析了差分格式中半空间步长与半时间步长的实现方法，及其雷达波电场与磁场分量在计算机上相互关系的C程序实现.然后讨论了数值频散关系及其产生原因，通过同时考虑时域有限差分法及Yee氏网格的特点，推导出了符合探地雷达实际传播规律的理想频散关系，作者自制了探地雷达正演程序，并分别计算了Mur超吸收边界条件及无边界条件下的雷达地电模型，通过对比可知，超吸收边界条件可利用，大大地减少截断边界处的干扰波，达到用有限区域达到在无限空间传播的效果.最后作者利用自制程序，对“V”字形和同一斜面上的五个圆的两个典型的探地雷达地电模型进行了正演模拟，得到了正演剖面图，消除了边界反射后的雷达剖面能很好地指导工作人员对雷达实测剖面的地质解释，同时使正演研究更符合实际的地质情况. 相似文献
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阐述了矩阵多分辨分析理论中的标准形式与非标准形式,并以Hilbert算子为例,说明了算子多分辨表示的压缩效果,为小波域偏移算法奠定了理论基础.从三维雷达波动方程出发,利用爆炸反射原理和浮动坐标变换,推导出三维探地雷达波动方程差分格式,并通过方程分裂算法及小波多分辨算法,在小波域求解波场外推矩阵,进而得到探地雷达小波域三维波动方程偏移算法,在此基础上,开发了探地雷达小波域偏移处理程序,并把该程序应用于三个球体空洞的3-D正演结果及实际的雷达数据中,通过对比偏移处理前后的雷达资料,得知该三维偏移算法能使3-D正演剖面中的反射波归位、绕射波收敛,极大地提高了雷达剖面的分辨率,有利于探地雷达资料的地质解释. 相似文献
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《地球物理学进展》2015,(6)
空洞是隧道检测的重点探测病害之一,为了进一步提高探测空洞的水平,本文针对隧道衬砌中经常出现空洞的基本形状进行研究.以探地雷达理论为基础,运用时域有限差分法,建立隧道衬砌中圆形、矩形和直角三角形空洞的二维模型,进行探地雷达二维正演模拟.利用PVC管制作圆形空洞,利用纸板制作矩形和直角三角形空洞,依次将物理空洞模型分别埋于砂槽中,应用探地雷达进行探测.并在现场探测各种形状的空洞.数值模拟、实验和实测结果表明:探地雷达可以探测到圆形、矩形和直角三角形空洞的存在,分别可以确定圆心的水平位置,矩形的水平分布范围和直角三角形的水平分布范围.该研究对不同形状空洞的图像解释具有指导和参考作用. 相似文献
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在分析核电站防波堤常见安全隐患及其产生机理的基础上,采用目前较为先进的探地雷达检测技术,对实际的堤防进行模拟检测,探究探地雷达检测防波堤的适用性和准确性.分析表明,探地雷达作为一种无损检测方法对防波堤的检测是可行的,且检测准确度满足实际工程的要求,可以用于核电站海堤的日常安全检测和维修加固后的成果检验. 相似文献
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基于双二次插值的探地雷达有限元数值模拟 总被引：3，自引：0，他引：3
从探地雷达(GPR)满足的波动方程出发,详细介绍了二维GPR模型单元剖分、二次插值、数值积分和有限元刚度矩阵总体合成的GPR有限元求解过程.为解决数值模拟时截断边界处的超强反射,采用Clay Bout透射边界条件对雷达波进行衰减,进而压制了来自截断边界处的反射波.在满足时间步长与空间网格差分稳定性前提下,采用中心差分法对GPR有限元方程进行离散,并用不完全LU分解预处理的BICGSTAB算法求解系数方程组,然后编制了基于双二次插值的GPR有限元正演模拟matlab程序.运用该程序分别对矩形和"V"字形两个典型地电模型进行正演计算,得到了正演剖面图,将该正演剖面图与基于线性插值的FEM算法的正演剖面图做了对比分析.结果表明基于双二次插值FEM算法相比基于双线性插值FEM算法异常响应更明显,具有更高的模拟精度,更有利于指导雷达剖面的数据解译. 相似文献
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探地雷达数值模拟中,时域有限差分法在时间和空间上一般采用二阶精度的中心差分近似(FDTD(2,2)),其形式简单,但数值色散误差较大,在复杂模型模拟时不能很好地反映模型的精细变化.高阶时域有限差分法能很好地改善数值色散带来的误差,提高模拟精度.本文基于三维高阶时域有限差分法的基本原理实现了探地雷达正演模拟,采用单轴各向异性完全匹配层(UPML)作为吸收边界条件,可以有效地吸收外向传播的电磁波,在大大地提高计算效率的同时,也能很好地改善边界的吸收效果.分析对比正演模拟结果,通过三维高阶时域有限差分正演能获得目标体准确电磁响应信息,并能很好的提高模拟精度. 相似文献
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《地球物理学进展》2017,(4)
探地雷达是一种非常重要的管线探测技术,为了提高地下管线雷达图像特征的认识,确定管线异常体的位置,提高雷达资料的解释精度.论文从Maxwell两个旋度方程出发,推导了二维TM波的差分方程、CFL数值稳定性条件、频散关系.然后,基于Matlab平台编写了探地雷达正演的FDTD程序,应用该FDTD程序开展了管线探测中探地雷达探测效果分析,包括对管线埋藏深度、管线间距、管线内物质、管线材质等影响因素的数值模拟.通过分析雷达正演剖面特征,可以清晰了解并掌握雷达管线探测与各种影响参数之间的关系,对实际地下管线探测可起到指导作用.最后,将GPR应用于武广高速浏阳河隧道管线探测中,GPR准确地定位了PVC通迅电缆的位置在埋深,为工程施工与处置提供了依据. 相似文献
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《地球物理学进展》2017,(5)
快速、准确地获得土壤含水量信息对农业、水文地质、工程地质和环境科学都具有十分重要的意义.作为中尺度的非侵入型的探测土壤含水量的方法,探地雷达方法受到越来越多的重视,具有广阔的应用前景.本文基于速度分析原理和混合介质介电模型,建立了一套计算土壤含水量的探地雷达数据处理和分析流程.利用提出的数据处理和分析流程对多层水平介质模型的正演模拟数据进行了处理和分析,获得的结果说明了应用此套流程对探地雷达共中心点(CMP)数据估计土壤含水量是适用可行的.然后应用此流程对蒙古国乌兰巴托市水源区域采集的CMP数据进行了处理和分析,并与观测井的信息进行对比,获得了该区域准确的地下水位和土壤含水量信息.正演模拟数据和实测数据处理分析结果验证了探地雷达方法测量土壤含水量的有效性和可靠性. 相似文献
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无单元Galerkin法采用滑动最小二乘法拟合场函数,只需节点无需单元,具有前处理简单、精度高、解高次连续等优点,被用于求解探地雷达(GPR)正问题.本文从Maxwell方程出发,推导了GPR正演需满足的波动方程;详细介绍了滑动最小二乘法形函数的构造方法.针对EFGM不满足插值条件导致强加边界条件的处理变复杂的特性,采用罚因子法对强加边界条件进行了处理;同时为了消除EFGM进行GPR正演模拟时来自截断边界处的超强反射,采用透射边界条件把GPR波在截断边界处的反射波透射出去,进而压制了来自截断边界处的反射波.然后,编制了EFGM的GPR正演模拟Matlab程序,应用该程序对典型GPR地电模型进行了正演模拟,并把该正演剖面图与基于线性插值FEM正演剖面图进行了对比,结果表明了EFGM用于GPR正演计算的正确性及有效性,并且在相同节点数条件下,EFGM比矩形剖分的FEM的精度要高,更有利于指导雷达剖面的数据解译. 相似文献
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交替方向隐式差分(ADI-FDTD)法突破了Courand-Friedrich-Levy(CFL)条件的约束,具有无条件稳定的特点;而单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件具有宽频带吸收特性,不需要对电场和磁场进行分裂,迭代公式简单,便于编程的特点.综合两者优势,本文提出了基于UPML边界条件的ADI-FDTD探地雷达数值模拟算法,通过对3个二维Maxwell方程进行离散化,推导了GPR波的ADI-FDTD及其UPML边界条件的两个子时间步的迭代差分公式,并分别给出了详细计算步骤.在此基础上,开发了相应的模拟程序,应用该程序对两个GPR模型进行了正演模拟,得到了两个正演模型的wiggle图、扫描图与全波场快照.通过分析这些雷达剖面图与波场快照,可以了解雷达波形在空间中的传播过程及变化规律,有助于雷达资料更可靠、更准确的解释.模拟结果表明,基于UPML边界条件的ADI-FDTD算法可取较大的时间步长,消除了截断边界处的强反射,能对简单与复杂GPR模型进行快速、高效模拟. 相似文献
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复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟. 相似文献
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介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏逝波产生的机理,分析了决定逝波性吸收性能的影响因素.均匀介质的波场快照、检测点的反射误差及全局反射误差对比,说明了3种边界条件对传输波都具有较好的吸收能力,而对低频倏逝波的吸收表现迥异,其中CPML因为引入了参数α,对倏逝波的吸收效果最佳,但离散化造成的全域误差也最大.最后,应用加载UPML和CPML边界条件的FDTD程序,开展了GPR二维剖面法、宽角法矩状地电模型及三维复杂模型的正演,展示了倏逝波反射对雷达正演剖面及波场快照的影响.进一步对比了UPML与CPML对倏逝波的吸收表现优劣,结果显示,CPML可有效减少边界反射误差,并能取得满意的精度,综合考虑对倏逝波的吸收、全域误差、编程难易程度等因素,在GPR正演中推荐使用CPML. 相似文献
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Photographing layer thicknesses and discontinuities in a marble quarry with 3D GPR visualisation 总被引：1，自引：0，他引：1
An important problem of marble-quarry management is assessing the quality and the homogeneity of quarry blocks before excavation. In this study, we decided to image the limestone, which we studied in a marble quarry, in terms of layer thickness, discontinuities and cavities using the ground-penetrating-radar (GPR) method. The method was successfully applied to detect and map the fractures with the cavities in a marble layer according to depth in the Ankara City Polatli Town (Turkey) region, which represents upper Miocene–Pliocene lacustrine carbonate rocks.This paper is based on interactive transparent 3D visualisation of the 2D GPR profiles to determine changes in layer thickness and discontinuities. In addition, this paper indicates the importance of the appropriate opacity-function construction to obtain transparent 3D visualisation. Firstly we acquired and processed parallel 2D GPR profile data, then we assigned two different amplitude–colour ranges using a limited number of colours to determine the layer thickness and its discontinuities separately. We obtained a 3D volume using parallel 2D GPR data and displayed a limited amplitude range by arranging an opacity function. Therefore, we obtained transparent 3D blocks for thickness and discontinuities, and we formulated an interactive 3D display to image the horizontal, vertical and inclined discontinuities and their directions in the x–y plane versus depth. The GPR results were compared with the petrographical investigation on the basis of textural and mineralogical compositions. The vesicular textures within carbonate platform were supported by the GPR results. 相似文献
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The travel time and amplitude of ground-penetrating radar (GPR) waves are closely related to medium parameters such as water content, porosity, and dielectric permittivity. However, conventional estimation methods, which are mostly based on wave velocity, are not suitable for real complex media because of limited resolution. Impedance inversion uses the reflection coefficient of radar waves to directly calculate GPR impedance and other parameters of subsurface media. We construct a 3D multiscale stochastic medium model and use the mixed Gaussian and exponential autocorrelation function to describe the distribution of parameters in real subsurface media. We introduce an elliptical Gaussian function to describe local random anomalies. The tapering function is also introduced to reduce calculation errors caused by the numerical simulation of discrete grids. We derive the impedance inversion workflow and test the calculation precision in complex media. Finally, we use impedance inversion to process GPR field data in a polluted site in Mongolia. The inversion results were constrained using borehole data and validated by resistivity data. 相似文献
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本文介绍地震波场高阶有限差分正演及其GPU计算问题,通过数值模拟技术实现地震波正演。对于声波方程,利用泰勒级数展开式得出波动方程的高阶有限差分格式及其离散表达式。运用C++语言和CUDA编写二维和三维GPU正演程序,使用共享存储器提升GPU线程间通信传输速度,并且改善了三维模型情况下共享存储器容量对有限差分阶数的限制问题。建立不同尺度模型针对二维和三维GPU正演程序和CPU正演程序进行计算测试,比较两个程序的计算效率。测试结果表明,无论是在二维和三维的模型下,GPU正演程序的计算耗时都远远小于CPU正演程序的计算耗时,且随着计算数据量的增大,加速效果越来越显著,测试结果可以很好地证明GPU程序相对于单CPU程序计算的高效性。 相似文献