探地雷达数值模拟的吸收边界条件研究

运用时域有限差分法实现探地雷达数值模拟时,边界条件的吸收特性对计算结果起着关键性作用。目前应用于探地雷达数值模拟的吸收边界有：Mur二阶吸收边界、超吸收边界和完全匹配层,本文引入一种新的吸收边界：单轴各向异性理想匹配层（UPML）,实现对有损耗介质中雷达波传播的数值模拟;并在激励源子波中心频率分别为100MHz、500MHz和1000MHz的情况下,以二维空间中的电偶极子辐射作为算例对Mur二阶、广义完全匹配层（GPML）和UPML吸收边界的全局误差进行比较,结果显示在不同频率下,UPML的计算精度都较Mur二阶吸收边界和GPML高;最后,应用该方法对两种常见的探地雷达模型进行正演剖面合成,取得了较好的结果。     

隧道前方不良地质体探地雷达正演模拟研究

探地雷达正演模拟是反演和剖面判释技术的基础,是人工识图的依据,可以提高图像解释的精度和准确度。从概括宏观电磁场规律的Maxwell旋度方程出发,运用Yee网格模型和中心差分公式,通过引入复介电常数,推导了二维单轴各向异性理想匹配吸收边界的电、磁场离散差分公式,并用MATLAB语言编写了基于单轴各向异性理想匹配吸收边界的二维横磁波探地雷达数值模拟程序,运用该程序对隧道前方断层破碎带、方形和圆形溶洞进行了正演模拟,揭示了不同地质体的图谱特征、反、绕射规律和传播特性。模拟结果表明：单轴各向异性理想匹配吸收边界能有效抑制差分网格截断边界处非物理因素反射,很好地突出有效波,更便于工作人员依据图谱准确地进行地质解释。     

基于UWB源的二维地电模型FDTD正演模拟

采用FDTD(Finite Difference Time Domain)数值模拟方法及CPML(Convolutional Perfect MatchedLayer)吸收边界条件,建立了空气—地下半空间的简单地电模型,分别以UWB(Ultra Wide Band)信号和宽带信号作为发射源,模拟了不同形状(方形、圆形)异常体模型的正演情况。结果表明UWB信号作为发射源的正演模型、能量图能清晰地反映异常体的位置和形状,能区分异常体的电性特征;而宽带信号作为发射源的正演模型只能大致看出空气土壤分界面,不能较好地分辨出异常体,其相应的能量图具有不规则的多个脉冲,也不能反映异常体的形状位置特征。方形、圆形组合模型的正演结果进一步体现了超宽带信号高分辨率的特点,为更好地识别地下异常体,以及地电模型的反演提供了有利的依据。另外,CPML吸收边界条件的应用消除了入射到截断边界处波的反射。     

KPCA⁃GPR模型在常压塔塔顶汽油干点预测中的应用

由于常减压蒸馏过程的复杂多变性,过程变量耦合严重,直接建模会增加问题分析的难度。为了提高模型性能,首先采用核主元分析（KPCA）算法对模型的变量进行选择,再将经过处理的数据作为高斯过程回归（GPR）模型的输入,采用KPCA?GPR模型建立常压塔塔顶汽油干点的估计模型。该方法可解决不同变量之间的非线性相关性,并且具有灵活的非参数推广及超参数自适应调节等优点,通过计算经验置信区间,不仅可以对汽油干点进行预测估计,还可以做概率解释。仿真结果表明,KPCA?GPR模型取得了较好的估计结果。     

An element-free Galerkin method for ground penetrating radar numerical simulation

An element-free Galerkin method(EFGM) is used to solve the two-dimensional(2D) ground penetrating radar(GPR)modelling problems, due to its simple pre-processing, the absence of elements and high accuracy. Different from element-based numerical methods, this approach makes nodes free from the elemental restraint and avoids the explicit mesh discretization. First, we derived the boundary value problem for the 2D GPR simulation problems. Second, a penalty function approach and a boundary condition truncated method were used to enforce the essential and the absorbing boundary conditions, respectively. A three-layered GPR model was used to verify our element-free approach. The numerical solutions show that our solutions have an excellent agreement with solutions of a finite element method(FEM). Then, we used the EFGM to simulate one more complex model to show its capability and limitations. Simulation results show that one obvious advantage of EFGM is the absence of element mesh, which makes the method very flexible. Due to the use of MLS fitting, a key feature of EFM, is that both the dependent variable and its gradient are continuous and have high precision.     

SH波作用下地表覆盖层对浅埋圆孔散射与动应力集中的影响

利用复变函数法和波函数展开法给出了具有地表覆盖层的弹性半空间内圆形孔洞在稳态SH波作用下动应力集中问题的解.根据SH波散射的衰减特性,该问题采用大圆弧假定法求解,利用半径很大的圆来拟合地表覆盖层的直边界,将具有地表覆盖层的半空间直边界问题转化为曲面边界问题.借助Helmholtz定理预先写出问题波函数的一般形式解,再利用边界条件并借助复数Fourier-Hankel级数展开把问题化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组,截断该无穷代数方程组可求得该问题的数值结果.最后,通过算例讨论了地表覆盖层对浅埋圆孔动应力集中的影响.结果表明,半空间地表覆盖层的存在,即使厚度很薄,对入射SH波的散射也具有很大影响,覆盖层刚度和厚度的变化可显著改变浅埋圆孔周边动应力集的分布.     

探地雷达检测铁路路基病害的二维正演模拟

为了识别复杂的探地雷达图像,建立铁路路基病害图像数据库,针对各种常见的路基病害,结合实地检测情况,研究铁路路基病害的探地雷达(GPR)图像特征,进行探地雷达二维正演模拟分析.基于有限差分原理,在时间域上推导横电磁波的差分方程;运用GprMax软件,对路基下道碴陷槽病害进行正演模拟分析;对路基下存在的圆形空洞,模拟不同半径和埋深的空洞,分析径深比对雷达模拟图像的影响.开挖一个人工道碴陷槽,用探地雷达实测,并进行正演模拟.实测结果和模拟结果一致,表明了该模拟方法用于实际复杂路基检测的可行性.     

稳态P波对半无限饱和土中的圆形孔洞的散射

借助在非耗散情况下的Biot波动理论，采用复变函数及多级坐标的方法对半无限饱和土中P波在一个圆形空洞周围的散射和动应力集中的问题提出了一种近似求解分析方法．具体做法是利用一个半径很大的圆来逼近半空间的直边界，将半空间直边界问题转化为曲面边界问题．借助Helmholtz定理预先写出问题波函数的一般形式解，再利用边界条件并借助复数傅立叶级数展开把问题化为求解波函数中未知系数的无穷线性代数方程组，通过变换不同的条件组合，得出半空间的圆形孔洞周围的动应力及孔压集中系数的数值解的分布和变化情况．由算例可知：该方法对研究与P波有关的散射问题是可行的．     

超吸收边界条件在地质雷达剖面正演中的应用

运用时域有限差分法正演地质雷达剖面时,边界条件的吸收特性对计算结果起着关键性作用．为了使截断边界的影响尽可能小,对边界条件的吸收特性进行了研究,提出了超吸收技术,让电场与磁场分量同时参与边界条件的计算,采用误差抵消的原理,首先减小截断边界对磁场分量的畸变,进而以此比较精确的磁场值重新计算边界上的电场,从而得到更加精确的电磁场值．数值试验表明,它能有效地减小截断边界的伪反射,提高计算精度．把这一技术用于地质雷达剖面的正演合成,得到了满意结果．     

考虑社群结构的复杂网络的级联故障抵制模型

研究复杂网络的级联故障对评估网络系统的稳定性具有重大意义.在经典的线性负载容量模型基础上,通过探测网络的社群结构,有选择地对社群边界节点的容量附加二次容忍值,建立级联故障抵制模型.在级联故障仿真中,采用不同干扰策略对IEEE118标准电网、国内现实电网等模拟故障过程.仿真结果表明,所建抵制模型通过对社群边界节点的容量进行二次扩容,能以较小的成本提高网络的稳定性,同时发现社群边界节点具备“防火墙”和“引爆点”的双重功能.通过将单一网络推广到两层耦合网络,发现在成本可控下新模型对相依网络的级联故障依然具备较好的抵制能力,说明本文所提模型具备一定的适应性.     

探地雷达子波确定性稀疏脉冲反褶积技术

为了提升探地雷达数据的纵向分辨率,并解决传统反褶积方法对噪声敏感的问题,提出一种针对探地雷达信号的稀疏脉冲反褶积处理方法.通过试验获取子波信息,基于确定性的子波,采取正则化的反演方法,从信号中获得主要的反射系数.通过2个数值试验以及1个实际案例,对比分析处理前后的单道信号、剖面、频谱等情况,并与传统反褶积方法的结果做比较,结果表明：该方法相对于传统方法能较大地改善分辨率,并且受噪声影响较小,得到的结果成像效果更好.该方法经验证是一项有效、可行的探地雷达信号处理技术.     

探地雷达三维物理模型试验及信号处理

为了研究探地雷达对三维物理模型的探测数据的信号处理问题,本文首先通过三维物理模型试验模拟隧道衬砌空洞病害;其次采用探地雷达对模型进行探测;最后使用RADAN7软件和MATLAB软件编辑小波软阈值滤波程序对探测数据进行对比处理。通过RADAN7及小波分析阈值滤波对探地雷达探测数据进行分析比较发现:小波变换去噪相对彻底,有用信号保留相对完整,图像更加清晰,目标体空洞的特征得到了显著的加强;小波变换能够很好地表现信号非平稳性,如边缘、尖峰和断点等。因此小波分析阈值滤波对于探地雷达的信号的滤波效果更加有效,能够为实际工程提供有效的解释依据。     

以边界元法为基础的注塑模冷却系统优化设计

针对注塑成型的冷却过程,以边界无法为基础,给出了型腔温度及其对主要设计变量灵敏度的算式。在此基础上,以型腔各点温度与某一设定的型腔目标温度的均方差作为目标函数,利用优化技术给出了求目标函数最小值的选代算法。通过对盒形体注塑静模中冷却管道位置及尺寸进行二维优化设计,证实了本文给出方法的有效性。     

基于尺度解析模拟的HC375液力变矩器的流场分析与特性预测

针对传统的一维束流研究方法无法描述大功率液力变矩器工作腔内复杂的时变瞬态湍流的流动状态,采用多物理场耦合方法构建了一种介质流动与传热的动态耦合数值模型,并给出了液力变矩器瞬态仿真设计方法.通过定性和定量分析液力变矩器内部的流动结构发现,动态混合模型(Dynamic hybrid RANS - LES, DHRL)中的SBES(Stress -blended eddy simulation)方法能够充分识别工作腔内边界层的流动状态,可实现对多流域耦合复杂流动现象的精准捕捉.通过台架实验表明,采用DES模型和     

时域背腔式领结天线的工程化设计

通过分析时域脉冲辐射信号的频谱,确定了天线的工作频率和带宽,并根据在探地雷达应用中满足信号最大能量对地辐射的要求,提出了一种快速有效的时域背腔式领结天线的设计方法,该方法简便实用,便于在探地雷达系统的整体工程化设计中使用。所提出建立的方法得到了实验和数值仿真结果的验证,并在探地雷达整机的开发和设计中得到了成功应用。     

太赫兹回旋脉塞的粒子模拟方法研究

分析了粒子模拟方法在模拟共形边界,特别是带此类边界的太赫兹回脉塞时引入计算误差的原因。给出了传统的共形网格差分算法的稳定性条件及两种通用的共形处理方法,并对两种方法的稳定性及准确性进行了分析。提出了一种新型的自适应共形网格剖分方法,该方法解决了共形网格的局限性问题。在有自主知识产权的全电磁粒子模拟软件CHIPIC上实现了该方法,并以一个圆柱波导验证了该方法的正确性。采用该方法模拟了工作于TE₂₆模式的频率为0.42 THz的回旋脉塞及HE₀₆模式0.22 THz准光腔回旋脉塞。     

膝关节模型中腔体的自动提取方法

针对三角网格表示的膝关节模型,提出一种自动提取膝关节腔体模型的方法.该方法利用法线相交检测的方法识别腔体边界面片,以这些边界面片为种子,采用区域生长法分别提取股骨和胫骨上的两个内腔表面.实现内腔表面的孔洞边界检测后,进行孔洞修补和边缘光顺处理.最后通过缝合和光滑处理,完成膝关节腔体模型的自动提取和构建.     

有机材料的分子模拟模型(Ⅱ):模拟元胞的构建

为了解决有机物分子模拟中的模型问题,提出一种有机材料元胞模型的构建方法.在应用"随机行走"法和"定向行走"法构建有机材料单分子链模型的基础上,基于将分子链均匀分配于元胞内部的思想,建立了构建有机材料元胞模型的方法.通过该方法可以构建适用于周期性边界条件的立方元胞模型和具有自由表面的纳米薄膜模型.通过两个典型实例并与其他方法结果的对比证明了该方法简单方便并且是行之有效的.     

路面雷达电磁波的时域有限差分法模拟

介绍了路面雷达电磁波在路面结构中传播的基本原理,结合时域有限差分法算法,分别分析一维FDTD方程、软激励源、分层介面的有效参数、吸收边界条件在应用实现模拟过程中的重要影响,并建立了空气耦合式路面雷达的正演模型.理论模拟和实际工程数值算例表明:该模型对路面雷达正演模拟是可行的,误差不超过2%.     

一种基于CMS数据获取方式的采空区建模方法

采空区是一个非线性复杂系统,研究其三维建模具有较大的难度,且精度难以保证。CMS在地下矿山的应用,较好地实现了采空区数据的精确采集,为三维建模创造了条件。基于CMS获取的数据特点,借鉴现有三维空间模型的构模方法和优缺点,提出了一种新的采空区建模方法:线框-广义四面体(Wire Frame-GTEN)混合模型,并对该模型的建模原理、建模过程、特点等进行了分析研究。