探地雷达三维高阶时域有限差分法模拟研究

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.     

全极化探地雷达采集系统及校准技术

依据极化技术在目标检测中的优势,将其融入到探地雷达测量中,构建了全极化探地雷达采集系统.包括硬件组合及软件设计,在硬件匹配的基础上,利用软件技术将硬件操作单界面化,实现了系统的自动运行.利用此系统在实验室内对几种典型目标体进行了测试,得到其全极化信息响应,鉴于极化散射矩阵能够完全表征目标体的极化特性,计算了目标体的极化...     

探地雷达时域多分辨法(MRTD)三维正演模拟

应用小波伽略金方法,对Maxwell方程进行离散化,导出了DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件.在此基础上,开发了探地雷达MRTD(multi-resolution time domain)法正演模拟程序,该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法,并利用该自制程序,对三角形金属体模型进行了正演模拟,得到了其相应的正演合成三维剖视图及切片图,通过对这些模拟结果进行分析,可以加深对三维雷达反射特征的认识,提高探地雷达探测的可靠性、准确度,同时也说明时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的有效性.     

探地雷达测量土壤含水量的应用研究

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.     

一种新颖的探地雷达快速正演模拟及埋地目标探测机器学习方法

探地雷达正演模拟在真实雷达数据解译及全波形反演中扮演着重要的角色,针对传统探地雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)正演模拟计算量巨大、耗时、不利于实时探测等问题,提出一种基于机器学习框架的近实时GPR正演模拟方法.以混凝土中的钢筋探测作为GPR应用场景,混凝土的含水量、钢筋半径及埋地深度作为模型参数,利用时域有限差分数值模拟散射回波信号;运用主成分分析对回波数据进行降维处理得到相应的主成分权值系数,并以此作为机器学习网络的输出;设计了一种基于随机森林的多层循环网络架构和学习策略,不仅充分挖掘学习模型参数和主成分权值系数之间的内在因果关系,也共享主成分间的相互联系,并具有对每个预测主成分完善和修正的功能,以此实现基于机器学习的探地雷达快速正演模拟,与传统机器学习相比,有效提高了正演模拟的精度.在此基础上将两个深度神经网络与随机森林相结合,以回波数据主成分系数为输入,建立了基于机器学习的场景参数预测模型,实现了近实时的埋地目标探测,预测的混凝土含水量最大误差为2%,钢筋埋地深度最大误差为6.7%.     

探地雷达GPR正演模拟的时域有限差分实现

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.     

机载探地雷达数值模拟及逆时偏移成像

机载探地雷达可以用于人类无法到达的危险地区、植被严重覆盖的地下目标体探测,然而由于机载探地雷达的特殊性,影响机载探地雷达探测效果的因素包括天线的极化方向、天线的飞行高度以及地表粗糙度等.为了研究这些影响因素与探测效果之间的关系,用三维时间域有限差分模拟电磁波的传播过程,以沙漠地区地下空洞掩体的机载探地雷达探测为实例,分别模拟了不同天线极化方向、天线高度及地表粗糙度情况下的机载探地雷达剖面,分析了各因素对机载探地雷达探测地下空洞目标体的影响.天线极化方向与目标体走向垂直更有利于地下目标体探测;天线距离地表越近,可以获得更高分辨率的雷达剖面;沙漠地表起伏越大,雷达剖面中的散射杂波能量越强,浅部地下目标体信号容易被掩盖.为了消除起伏地形造成的散射杂波,提出用逆时偏移成像技术对共炮集机载探地雷达数据进行偏移成像,成像结果优于基尔霍夫偏移成像结果.     

基于辛算法模拟探地雷达在复杂地电模型中的传播

近年来,探地雷达(GPR)凭借其快速、高效、无破损等特点,已经广泛应用于浅地层目标探测中.数值模拟是研究探地雷达电磁波在地下结构中传播规律的有效手段.辛算法是一种保持Hamilton系统总能量不变的时域数值计算方法.本文提出了基于一阶显式辛分块龙格库塔方法的探地雷达数值模拟方法.通过对比本文算法与时域有限差分方法计算结果可知,在同等计算精度下,本文算法可以节省25%的计算时间.并基于本文算法对两个复杂GPR模型进行正演模拟,得到模拟GPR探测wiggle图,这有助于更好的理解和分析实测雷达数据.     

基于共形辛Euler算法的非金属地下管道精细化高效探地雷达正演模型

我国城市地下管线种类繁多、规模巨大.近年来,因城市管网家底不清、位置不明导致的管道挖断事故频发.探地雷达(GPR)是目前最为有效的地下设施探测定位设备,通过对探地雷达回波信号进行反演分析,可获取管道埋深、位置等信息.然而,地下管道等地下圆形目标,传统正演模型中阶梯近似方法会产生一定误差.本文结合辛Euler算法与曲面共形技术,建立探地雷达电磁波在含非金属管道地下结构中传播的精细化数值模型,并通过图形处理器(GPU)加速技术进一步提升模型计算效率.数值模拟结果显示,共形网格技术有效降低了由于阶梯近似造成的虚假绕射波,并通过结合GPU并行计算,在不增加网格密度的前提下,实现了对地下管道电磁响应的高效精细化计算.     

基于Matrix-Doubling方法的三维森林雷达后向散射模型的改进

辐射传输方程已广泛应用于森林雷达后向散射模拟.基于辐射传输方程建立起来的三维森林雷达后向散射模型可以考虑林分结构对后向散射的影响以及冠层、树干等与地表的二次散射.它可以较准确地估算同极化后向散射.但三维森林雷达后向散射模型只考虑了冠层内部的一次散射,而交叉极化主要来自于冠层体散射,因此模型常常低估交叉极化.为了提高模型对交叉极化的估算能力,将Matrix-Doubling方法引入到三维森林雷达后向散射模型中,用以计算冠层体散射.将改进模型的计算结果与原模型的计算结果进行了比较,并且使用野外观测数据和AIRSAR数据对改进模型做了验证.结果表明,对于不同密度的森林,模型对交叉极化的估算能力在一定程度上得到了改善.     

宽带探地雷达系统研究及在工程检测的应用

宽带探地雷达系统以其高分辨率而受到重视。我们系统地分析、模拟和实验测试了宽带天线，在同络分析仪的基础上研究和开发了宽带的探地雷达系统。对不同模型进行探测，结果表明系统具有很高的分辨率。更重要的是该系统可以在与被探测介质不接触的情况下对介质内部进行探测，具有很高的工作效率。在工程质量检测中将具有巨大应用前景。     

Simulation for ground penetrating radar (GPR) study of the subsurface structure of the Moon

Ground penetrating radar (GPR) is currently within the scope of China's Chang-E 3 lunar mission, to study the shallow subsurface of the Moon. In this study, key factors that could affect a lunar GPR performance, such as frequency, range resolution, and antenna directivity, are discussed firstly. Geometrical optics and ray tracing techniques are used to model GPR echoes, considering the transmission, attenuation, reflection, geometrical spreading of radar waves, and the antenna directivity. The influence on A-scope GPR echoes and on the simulated radargrams for the Sinus Iridum region by surface and subsurface roughness, dielectric loss of the lunar regolith, radar frequency and bandwidth, and the distance between the transmit and receive antennas are discussed. Finally, potential scientific return about lunar subsurface properties from GPR echoes is also discussed. Simulation results suggest that subsurface structure from several to hundreds of meters can be studied from GPR echoes at P and VHF bands, and information about dielectric permittivity and thickness of subsurface layers can be estimated from GPR echoes in combination with regolith composition data.     

In situ 2-D and 3-D measurements of radiation patterns of half-wave dipole GPR antennas

Dipole antennas for ground-penetrating radar (GPR) radiate and receive electromagnetic waves with a strong directional dependence. Thus, experiments to measure in situ antenna radiation as functions of direction and polarization are of practical interest. Three field experiments were performed. One experiment was over a layered fluvial/eolian sequence; the other two used controlled targets (buried pipes and a metal ball). The radiation patterns were sampled by incrementally varying the antenna orientations and separations while recording reflections from the known targets. The results show qualitative, but systematic, correspondence with approximate theoretical far-field radiation patterns. Slow variations of amplitude with antenna azimuth and dip indicate that antenna orientations within 20° in the standard TE and TM acquisition geometries are adequate for most field applications, but not if detailed amplitude analysis is to be performed. Variations in antenna orientation or height (particularly for heights less than one-quarter wavelength) above the free surface introduce corresponding biases or uncertainties into recorded amplitudes. The variance within any suite of measurements is, in part, a consequence of differences in ground impedance at each antenna location. The theoretically predicted sensitivity to antenna height is mediated by surface roughness at high frequencies. It is necessary to include, or compensate for, the antenna radiation pattern in analysis of field data amplitudes, in experiment design, and in selecting appropriate antennas for specific applications.     

一种简易探地雷达天线的制作及其应用效果分析

由于商业探地雷达天线价格昂贵,又比较笨重,很多测量参数不能任意修改或修改起来比较困难,且在室内做实验又很不方便,所以,设计一种造价低,小巧方便且效果较好的天线显得很有意义.基于这样的考虑,本文从实用的角度出发,采用半定量化的方式较详细的介绍一种简易探地雷达天线的制作方法,并辅以网络分析仪对其实际应用效果进行分析研究.实验证明,对于常规的探地雷达实验研究,该天线在性能上已达了要求,是有效的,可行的.     

中尺度模拟土壤油污染区探地雷达探测效果分析

为使物理模拟实验效果与实际探测情形更为接近,在室外自然条件下建立中尺度土壤石油污染实验模型,油污染区扩展深度超过1 m,采用实地探测中常用的500 MHz雷达天线进行长期定时探测.通过实测雷达图像特征、土壤含水量含油量分析,并对比前人开展的小尺度室内模拟试验结果,综合评价探地雷达对油污染区的探测效果.研究表明探地雷达探测图像异常特征与污染区扩散阶段密切相关:包气带内油污染区会引起振幅增强;毛细带的油污染区则表现为水位面反射轴附近清晰可辨的高幅异常区,且水位面反射轴呈下凹状;随扩散过程持续进行,异常区下移与水位面反射轴相交,并产生水平扩张.当污染土含油饱和度大于20%时,可通过雷达图像异常区圈定污染范围;当污染土含油饱和度大于15%时,可通过频谱图出现低频响应的位置圈定污染区水平范围.中尺度实验结果与室内小尺度模拟结果具有一致性,可作为油污染区雷达图像异常的解译依据.     

基于局部采样MCMC方法的时移探地雷达反演

马尔科夫链蒙特卡洛方法(MCMC)是一种启发式的全局寻优算法,可以用来解决概率反演的问题.基于MCMC方法的反演不依赖于准确的初始模型,可以引入任意复杂的先验信息,通过对先验概率密度函数的采样来获得大量的后验概率分布样本,在寻找最优解的过程中可以跳出局部最优得到全局最优解.MCMC方法由于计算量巨大,应用难度较高,在地...     

The role of GPR techniques in determining ice cave properties: Peña Castil ice cave,Picos de Europa

The structure and ice content of ice caves are poorly understood. Ground penetrating radar (GPR) can provide useful insights but has only rarely been applied to ice caves. This paper interprets GPR images (radargrams) in terms of internal structure, stratification, compaction, thickness and volume of the ice block in the Peña Castil ice cave (Central Massif of Picos de Europa, northern Spain), providing the endokarst geometry of the ice cave in GPR data reflections. Eight radargrams were obtained by applying a shielded ground‐coupled antenna with a nominal frequency of 400 MHz. Although the radargrams do not depict the ice–basal bedrock interface, they suggest that the ice block is at least 54 m deep and similarly thick. Some curved reflection signatures suggest a potential vertical displacement in the block of ice, and thus certain dynamics in the ice body. Other images show numerous interbedded clasts and thin sediment layers imaged as banded reflections. In this particular cave a direct visual inspection of the ice stratigraphy is a difficult task but GPR provides clear reflectivity patterns of some of its internal features, making GPR a suitable instrument for this and future studies to achieve a better and broader understanding of the internal behavior of ice caves.