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。     

二维DGTD方法中UPML吸收边界的实现

针对二维情形单轴各向异性完全匹配层吸收边界条件,研究了横磁波情形时域离散伽略金算法单轴各向异性完全匹配层吸收边界的理论基础和实现方案．借鉴时域有限差分方法--时域离散伽略金算法中吸收边界阻抗匹配、各向异性介质参数设置和匹配矩阵等思想,结合时域离散伽略金算法空间离散网格的非结构特性和离散单元之间场量传递的特点,给出了在单轴各向异性完全匹配层中电磁场量时域迭代公式,进一步离散成为离散时域迭代计算式．由于时域离散伽略金算法网格的非结构特性,一阶SM吸收边界条件一般对入射电磁波的反射率在-24dB左右．仿真算例说明,给出的时域离散伽略金算法单轴各向异性完全匹配层吸收边界对电磁波的双重衰减达130dB,表明单轴各向异性完全匹配层具有良好的吸收效果．     

地质雷达在预应力梁钢绞线孔道注浆质量中的研究

预应力梁钢绞线孔道注浆饱满程度直接关系到桥梁的安全和使用寿命,对其施工工艺的控制和注浆效果的检测越来越受关注。运用时域有限差分法（FDTD）,采用广义完全匹配层（GPML）作为吸收边界,对常见注浆孔道缺陷进行二维正演,结合工程开窗验证,总结缺陷的雷达图像特征和规律,为地质雷达法检测注浆饱满度提供依据。     

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.     

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．     

岩溶塌陷的地质雷达正演模拟分析

针对各种岩溶发育地带的地球物理特征,构建相应的地电模型,采用时域有限差分法作地质雷达正演模拟。根据电磁波在介质中的传播规律,分析各种岩溶模型情况下所得正演剖面结果的振幅特性,相位特性,频率特性。总结岩溶探测过程中各种构造的地质雷达响应,作为实际工程探测的依据。从而,验证了利用时域有限差分方法作地质雷达正演模拟的可行性,也有助于实际勘探岩溶塌陷灾害隐患的定性到定量的分析。     

正演模拟技术在地震解释中的应用

对地质模型进行波场正演计算可以模拟地震波在地下介质中的传播规律,以明确地质体地震记录特征．在地震资料解释过程中,对地质模型的正演计算可以对解释结果进行验证,并能提供地下地质体地震波岩石物理响应特性,为地质学家正确研究地下地质环境提供地震波波场证据。本文介绍了利用交错网格差分思想求解波动方程的地震正演模拟方法,并在碳酸盐地层中层位判断和相对低速薄灰岩储层中的两个实际地质模型为例进行简要分析。     

路用探地雷达的回波模拟

分析了路用探地雷达电磁脉冲波在路面介质中的传播特性 ,并根据路用探地雷达实际发射的脉冲子波和接收的反射波 ,利用反演方法计算了路面介质的介电常数 .在此基础上 ,采用回波模拟法对探地雷达脉冲波在路面结构层介质中的反射波进行了模拟合成 .实际算例表明 ,回波模拟法对探地雷达反射波的模拟合成效果较好 ,该模拟方法为正确解释路面结构提供了简便、可靠且有效的手段     

利用非均匀网格有限差分法模拟二维大地电磁响应

为了实现二维地电模型的大地电磁正演模拟,采用非均匀网格有限差分法对TM极化模式下的大地电磁响应进行了数值近似计算。首先,从磁场满足的边值问题出发,利用非均匀网格有限差分法导出了TM极化模式下二维大地电磁正演计算的线性方程组;然后,通过对均匀半空间模型的大地电磁响应进行数值计算,与理论解析结果对比,验证了非均匀网格差分正演算法的正确性;最后,通过对二维地堑构造模型的大地电磁响应模拟,说明了非均匀网格差分正演算法的有效性,同时总结了异常响应规律,这能为实测数据的定性解释提供指导。     

富水裂隙岩体探地雷达信号特性模拟研究

针对探地雷达信号在富水裂隙岩体中的图像与频谱特征,开展了非频散介质与频散介质条件下时域有限差分正演模拟,模拟结果体现了频散介质条件下电磁波在岩体与裂隙水之间的高衰减率、相位差、震荡反射、有限的探测深度以及频散等特性。利用基于连续小波变换的小波尺度谱,把模拟信号同时在时域和频域内分解,显示了频散介质中低频信号产生过程。信号中低频成分逐渐增多,并且表现为从稳定到不稳定状态。与实测富水裂隙砂岩区的探地雷达信号分析对比,解释了探地雷达在富水裂隙岩体中信号特性。     

Finite difference time domain method forward simulation of complex geoelectricity ground penetrating radar model

The ground penetrating radar（GPR） forward simulation all aims at the singular and regular models, such as sandwich model, round cavity, square cavity, and so on, which are comparably simple. But as to the for- ward of curl interface underground or “v” figure complex model, it is difficult to realize. So it is important to for- ward the complex geoelectricity model. This paper takes two Maxwell＇s vorticity equations as departure point, makes use of the principles of Yee＇s space grid model theory and the basic principle finite difference time domain method, and deduces a GPR forward system of equation of two dimensional spaces, The Mur super absorbed boundary condition is adopted to solve the super strong reflection on the interceptive boundary when there is the forward simulation. And a self-made program is used to process forward simulation to two typical geoelectricity model.     

结构吸波材料的设计与性能预报

雷达吸波材料的吸波性能通常以吸波材料对电磁波的功率反射系数来表示．功率反射系数是各层的厚度、磁导率和介电常数的函数．本文选用多变量函数的搜索方法，利用Hooke-Jeeves算法由C^ 编译器依据传输线理论编制了优化设计程序，对所选用吸波剂MnO和ZnO铁氧体材料进行了计算，并掺入适量的Fe3O4控制自然共振吸收频率，利用共振机理，实现了在较大程度上展宽频带。同时将利用Lichtenecher公式计算出的各个吸收剂成分用环氧树脂作粘结剂，复合成吸波材料，进行了吸波性能测试。结果发现，随着环氧树脂成分的增加，复合材料的电磁参数呈现降低趋势，因而在复合过程中合理地控制环氧树脂的成分，可以得到各层复合材料所需要的电磁参数。     

瞬变电磁探水雷达研究

隧道掌子面探水问题,是交通隧道、采矿业、地下空间开发行业一直未解决的难题。由于不同地质环境各种蓄水构造的复杂性,使得以地球物理方法为主的地质预报技术面临着挑战。地震反射法对构造敏感,电法对水敏感,但常规电法由于装置问题很难在隧道掌子面施展。地质雷达由于高频微波段穿透能力的局限性,使得在隧道掌子面探测深度有限。瞬变电磁法利用不接地回线,以其自身的方法优势已广泛应用于隧道掌子面的地质预报中。首次利用浅层瞬变电磁法原理、定源回线装置、全期视电阻率计算、雷达波谱图像处理等技术,研制了相应瞬变电磁探水雷达,并在隧道掌子面、地面岩溶探查方面进行工程应用,验证了浅层瞬变电磁法在地下水探查中的应用效果。     

基于GprMax的隧道衬砌地质雷达检测正演模拟与实测数据分析

利用时间域有限差分（FDTD）软件GprMax,根据初衬中钢拱架和钢筋的电磁参数,建立不同模型,模拟地质雷达对隧道衬砌的检测过程。由于隧道衬砌、围岩、钢筋等各种工程介质的介电常数存在不同的差异,使得不同目标在雷达图像上显示出不同特性的波形特征。结果表明：钢拱架雷达图像明显,反射回波显著,波形特征为分散的月牙形强反射信号,无明显多次反射波;钢筋的波形为向上凸起的弧形,且交织在一起。将这一结果与实例探测结果进行对比。对比实际探测结果表明：二衬内有钢筋分布的情况下,不可能在二衬之后准确检测出初衬内的钢拱架的数量及分布情况,所以初衬检测与二衬检测应分开进行;利用软件GprMax模拟地质雷达在初衬中的检测是准确可行的,能够清晰地反映隧道衬砌中钢拱架和钢筋的成像特征,效果较好,可为工程实践判别提供依据。     

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。