基于GPU并行的时间域全波形优化共轭梯度法快速GPR双参数反演

探地雷达（GPR）时间域全波形反演计算量巨大,内存要求高,在微机上计算难度大.本文中作者基于GPU并行加速的维度提升反演策略,采用优化的共轭梯度法,避免了Hessian矩阵的计算,在普通微机上实现了时间域全波形二维GPR双参数（介电常数和电导率）快速反演.论文首先推导了二维TM波的时域有限差分法（FDTD）的交错网格离散差分格式及波场更新策略.然后,基于Lagrange乘数法,将约束问题转化为无约束最小问题,构建了共轭梯度法反演目标函数,采用Fletcher-Reeves公式与非精确线搜索Wolfe准则,确保了梯度方向修正因子及迭代步长选取的合理性.而GPU并行计算及维度提升反演策略的应用,数倍地提升了反演速度.最后,开展了3个模型的合成数据的反演实验,分别从观测方式、梯度优化及天线频率等方面,分析了这些因素对雷达全波形反演的影响,说明双参数的反演较单一的介电常数反演,能提供更丰富的信息约束,有效提高模型重建的精度.     

探地雷达在中央粮库工程勘察中的应用

探地雷达是一种重要的浅层勘探地球物理勘察方法，从探地雷达应用的地球物理应用前提出发，详细阐述了探地雷达实测工作中测量方式、天线频率、采样率及时窗等工作参数的选取；归纳总结了雷达波的反射规律，分析了可能导致雷达资料误解释的绕射波及解决方案，并以中央储备粮益阳直属库北栋仓库纵测线3为例，说明了探地雷达勘察效果。     

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.     

地震波速与吸收系数综合层析成像

阐述了地震波在粘弹性介质传播过程中具有的衰减特性，探讨了地震波吸收层析成像的机理，得知地震吸收CT成像方法，对岩体软弱结构面、裂隙和规模较小的断层破碎带的识别能力，要强于波速成像方法.针对这两种层析技术的优缺点，采取多参数（波速、吸收系数）综合地震层析成像的方法，使波速CT与吸收CT两者能相互印证、互为补充.作者综合利用两种成像方法，把它用于在云南省某水电站坝基岩体质量检测中，取得了较好的效果，达到了提高地震层析成像的分辨率与可靠性的目的.     

复杂地电模型的探地雷达时域有限差分正演

目前探地雷达正演模拟。都是针对简单的层状模型、圆状空洞、正方形空洞等单一的规则模型,而对于地下弯曲的界面或“V”字形等复杂模型的正演,实现起来较为困难。然而,地下构造是复杂的,因此,对复杂地电模型的正演研究显得更为重要。这里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,通过讨论数值频散关系及其产生原因,推导出符合探地雷达实际传播规律的理想频散关系。为解决正演模拟时截断边界处的超强反射,采用了Mur超吸收边界条件．并以自制的探地雷达正演模拟程序为依托,对两个复杂的探地雷达模型进行了正演模拟,得到了正演剖面图。从其后模拟实例中的两正演剖面图可以看出,边界截断处的干扰波被大大地减少,消除边界反射后的雷达剖面能更好地指导工作人员进行地质解释,从而达到了把雷达的正演研究深入到复杂地电模型中去的目的,使正演研究更符合实际的地质情况。     

用Visual C++开发地质雷达正演模拟软件

从地质雷达的正演原理着手，通过对数值稳定性条件、数值频散关系、源的设计、边界条件等理论的探讨．用Visual C 语言编写出一套能对常见的二维地电模型进行正演模拟和对地质雷达的原始信息进行读取与写入的软件。     

探地雷达FDTD数值模拟中不分裂卷积完全匹配层对倏逝波的吸收效果研究

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.     

Daubechies小波有限元求解GPR波动方程

基于可分离小波理论,由一维Daubechies尺度函数的张量积构造二维Daubechies小波基,并将它作为GPR波动方程求解的插值函数,导出了二维Daubechies小波有限元GPR方程离散格式;通过引入转换矩阵,实现小波系数空间与雷达场值之间转换.引入自由度凝聚技术,有效解决了小波有限元求解中小波单元内部自由度过多的问题,节约了计算量并方便与传统有限元法耦合.然后,详细阐述了Daubechies小波有限元联系系数计算方法,有效解决了小波有限元求解偏微分方程的难点与核心问题.最后,以两个典型GPR模型为例,对比了Daubechies小波有限元与传统有限元的雷达正演剖面图与单道波形图,结果表明:在相同的剖分方式及节点数目条件下,Daubechies小波有限元的紧支性与正交性一定程度上提高了求解效率,它与有限元法求解结果能较好地吻合,验证了Daubechies小波有限元算法的正确性.     

探地雷达小波域三维波动方程偏移

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.     

水库渗漏通道的伪随机流场法与双频激电法综合探查

正确快速的探测水库堤坝渗漏在保证防洪工程安全上具有重要意义,而查明渗漏入口和渗漏途径又是难点中的重点,本文简述了伪随机流场法的基本原理,重点探讨了当水库坝体中存在诸多金属管,且渗漏水为承压水形式时,传统流场法难以解决实际问题时,作者首先采用流场法对水库大坝进行电流场分布的检测后,再结合双频激电法,详细的分析和对比检测的数据,从得到的探测曲线分析表明,通过流场法与双频激电法的结合,极大地提高了流场法区分金属管和地层渗漏通道的能力,为以后的相关工程应用提供了很好的范例.