隧道衬砌空洞探地雷达图谱正演模拟研究

探地雷达作为一种高效、先进的无损检测设备,能够对隧道衬砌实施连续扫描,实时获得雷达图谱。然而,由于探地雷达在我国的应用时间还非常短暂以及雷达图谱的复杂性,隧道衬砌空洞探地雷达图谱的辨识还存在一定的问题。据此,通过不同环境的试验得到空洞雷达图谱特征,并利用二维时域有限差分法对衬砌空洞雷达图谱进行正演模拟。采用VC++语言编写探地雷达正演模拟程序,对隧道衬砌检测中常见的几种空洞模型进行正演模拟,得出模拟波形和图谱,并与实测隧道衬砌空洞的探地雷达波形和图谱进行对比。结果表明,模拟图谱与实测结果相似,具有较明显的空洞特征。良好的结果也验证了二维时域有限差分法（2D-FDTD）正演模拟的可行性。     

探地雷达时域有限差分法正演模拟

在以往雷达波的正演模拟中,借鉴地震波中成熟的正演模拟方法,均采用模拟声波方程的方法,精度不够高。因此从麦克思韦方程组出发,采用目前电磁场理论中最常用的时域有限差分法,对探地雷达进行了正演模拟。为了进一步说明其正确性,对正演模拟的结果又进行了偏移处理,从结果看出该方法的正确性及可行性。     

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。     

三维探地雷达数值模拟中UPML边界研究

应用时域有限差分进行探地雷达正演计算时,边界条件的吸收效果是提高雷达波响应模拟精度的关键因素之一。这里推导出了三维各向异性完全匹配空间UPML吸收边界的计算公式,并编程实现。模拟结果表明:UPML吸收边界在吸收效果,反射误差及计算效率等方面,都明显优于常用的Mur、PML吸收边界,具有较好的模拟效果。采用三维UPML边界的时域有限差法,可以提高探地雷达正演模拟的可靠性、准确度。     

山岭隧道空洞病害雷达探测图像影响因素的正演模拟研究

在目前的山岭隧道中往往存在空洞与脱空、裂缝、渗漏水等病害,普通病害检测方法常常会对隧道造成损伤,而且不能大范围快速检测,而探地雷达就能很好地解决以上问题,进行快速的无损检测。为提高探测效率和对图像准确解释,正演模拟是必须的。基于时域有限差分法(FDTD),利用模拟软件GprMax,作者做了山岭隧道空洞病害的雷达图像的正演模拟,模拟结果和实际模型比较吻合,进一步研究比较一系列影响雷达图像的因素,得出相关结论,为复杂探地雷达图像的识别提供了依据和经验,为建立此类图像识别的数据库打下了基础。     

基于FDTD的月壤分层雷达探测正演模拟

“嫦娥三号”巡视器上搭载的测月雷达通过500 MHz频率的天线,对巡视路线上的月壳浅层结构进行剖面式观测,能探测到月球地底下30 m深土壤层的结构。为了更好地分析测月雷达的探测结果,文中对月壤分层进行正演模拟,月岩层的介电常数采用与“嫦娥三号”登月点位置最近的Apollo 15的电性参数近似代替,月壤的介电常数是一个和密度相关的值且随深度的变化而变化。根据以上参数建立模型,基于时域有限差分（FDTD）原理,利用GprMax对月壤分层结构进行模拟,建立的模型包括月表介电常数随深度变化二层模型和月岩层存在下界面三层模型,并对其波形特征进行分析,找到月壤层次划分的一般规律,对“嫦娥三号”测月雷达数据的分析提供理论依据。     

城市供水管道渗漏程度的渗流模型分析与探地雷达信号正演

应用探地雷达进行城市地下管道的探查已经在市政工程中广泛采用,但是利用探地雷达进行地下管道泄漏的探查在我国尚未被广泛采用。本文研究了探地雷达在城市地下供水管道渗漏探查中的应用。首先利用Geo-studio软件模拟了不同工况下的管线渗流情况,分析了不同管线大小,不同渗漏位置与不同时间下的渗漏区的分布、渗漏部位含水量发育特征等几何和物理参数;在此基础上,通过采用GprMax探地雷达正演模拟软件对管道的渗漏进行了病害正演,建立了不同埋深、不同管线大小、不同渗漏位置和程度的系列探地雷达响应特征数据。为实际利用探地雷达探测城市供水管道渗漏提供了基础的参数数据和识别参考。     

探地雷达信号的高阶时间域有限差分模拟

探地雷达信号时域有限差分法模拟,多采用二阶精度的中心差分法近似（FDTD（2．2））,虽然计算简单,但数值色散误差较大,影响了模拟精度。在解决较复杂介质分布的探地雷达信号时,不能很好地反映信号的精细变化。而高阶时域有限差分模拟能减少数值色散带来的误差,提高了模拟的精度。采用各向异性完全匹配层（UPML）作为吸收边界条件,实现了高阶计算,有效地吸收边界电磁波反射,而且提高了计算效率。通过模拟的结果分析可知,高阶时域有限差分法能很好地提高模拟精度。     

基于GPRSIM的水下砂层探地雷达正演

基于水和岩土介质的介电常数差异,应用GPRSIM软件研究在不同水深条件下二层介质的雷达响应特征.一般情况下,雷达天线频率为50 MHz时,勘探深度可达到10 m左右. 根据南京长江二桥桥址区的地质资料,建立含有水、淤泥质粉质黏土、粉细砂、砂砾卵石以及砾岩的水下砂体模型,并应用GPRSIM软件对该模型进行正演研究. 研究结果表明,天线频率为50 MHz、水深不超过4 m时,雷达影像能够较好地反映出水下各岩层的赋存状态,特别是能够圈定出水下砂层的厚度和分布范围,这为实际水下砂体的勘探提供了重要的理论依据.     

探地雷达探测桥梁浅基础缺陷的正演研究

桥梁基础作为桥梁重要的组成部分,由于长期的地质作用和外部因素总是容易出现缺陷、裂缝等桥梁基础病害.考虑到传统的探地雷达探测方法-Common-offset法很难解决桥梁基础病害问题,提出采用特殊的Common-souree法来探测桥梁基础病害.利用GprMax软件,来模拟桥梁基础的探测过程;将正常桥梁基础和缺陷型桥梁基础的正演结果进行对比,可以发现二者存在明显的差异.利用这些差异可以在实际探测过程中识别出存在病害的桥梁基础,证明利用探地雷达探测桥梁基础病害是切实可行的办法.     

基于探地雷达对近间距相同管径管道的试验研究

近间距相同管径管道的探测是地下管线探测常见问题之一,为了提高近间距管道的识别能力,对近间距相同管径管道的探地雷达反射波响应特征进行研究。为研究探地雷达对其识别的能力,分别建立了近间距相同管径不同材质的管道模型、近间距相同管径相同材质的管道模型,运用GprMax软件对其进行正演数值模拟,研究表明：近间距管道在水平投影面上相交一定范围内时,探地雷达能够识别所有管道。通过本次模拟,对实际工作有重要意义,并为探地雷达在探测近间距管道时提供了参考。     

基于FDTD数值技术分析反向障碍物对探地雷达采集数据的影响

为了分析与雷达探测方向相反方向的障碍物对雷达采集数据的影响,以探地雷达理论为基础,运用时域有限差分法（FDTD）,建立相应的地质模型,进行探地雷达二维正演模拟。结合工程实例,对福建某隧道的雷达探测数据进行分析研究。研究结果表明,在使用探地雷达进行目标体探测时电磁波并非仅向探测方向发射和传播,在天线的四周都会有电磁波发射出来,而非探测方向上的电磁波将会对雷达采集的数据产生一定的影响,干扰数据解释人员解译的准确性。因此在使用探地雷达和解译雷达数据时,要了解现场环境和剔除干扰波,做到对探测目标体的正确判断。     

探地雷达有限元数值模拟及衰减特性探讨

从Maxwell方程组出发,推导了带衰减项与不带衰减项的探地雷达(GPR)有限元波动方程。利用matlab平台编译了二维GPR有限元正演模拟程序。通过对典型模型例子的模拟分析,给出了GPR电磁波衰减比的概念及其计算公式,加深理解了GPR电磁波在不同介质中的传播特性。在GPR正演模拟中,必须考虑衰减项的吸收作用,得到的模拟结果更符合GPR电磁波在地下介质中的传播规律,更有助于理解和掌握地下介质中探地雷达波的传播规律,对探地雷达资料的地质解释具有更好地指导意义。     

隧道不良地质现象的探地雷达正演模拟与超前探测

探地雷达是一种分辨率比较高的工程地球物理方法,对掌子面前方的溶洞、富水带、断层破碎带和裂隙带等不良地质现象有明显的异常反应。文中介绍了探地雷达在隧道超前预报中探测的原理、测线布置和数据采集方式,分析不良地质现象与围岩之间的结构和介电差异特征,设计合理的正演模型进行正演模拟,分析正演模拟图像的波形、频率、振幅、相位等特征,理论上总结了不良地质现象在雷达图像上的信号特征,并通过对实测典型雷达图像的解释,对不良地质现象的雷达反射波的频谱特征做进一步研究,可以为探地雷达在隧道超前预报中的解译提供参考。     

时域有限差分法在地质雷达正演模拟中的应用

时域有限差分法是麦氏方程的差分形式的数值解法,用于求解任意复杂目标与电磁场的相互作用问题。本文把这一理论应用于地质雷达的数值模拟,得到满意的结果。     

发射脉冲波形对探地雷达响应的影响

电性参数、系统参数以及处理方法,对探地雷达的探测深度、分辨率以及精度有重要的影响。这里主要讨论发射脉冲波形对探地雷达响应的影响,即首先产生汉宁、高斯、柯西和泊松四种窗函数所对应的发射脉冲波形,然后通过二维时域有限差分正演模拟方法分别获得上述激发波形在钢筋模型和薄层模型的响应,最后在分析响应结果的基础上,总结出不同激发波形对横向和纵向分辨率的影响。从正演模拟结果可以发现,在同一地电模型和相同的发射天线中心频率情况下,发射脉冲波形的宽度越小,其探测分辨率越高,探测深度越浅;柯西脉冲波具有较好的横向分辨率,而高斯脉冲波在横向和纵向上都具有较好的分辨率。所获得的结论对于不同地电模型的正演模拟以及探地雷达数据的解释,具有一定的指导作用。     

起伏地形下地面瞬变电磁法三维正演数值模拟研究

瞬变电磁法在地形条件复杂的地区应用时,勘探效果往往不理想,究其原因,主要是忽略地形因素影响致使解释结果偏差较大.笔者采用三维时域有限差分法模拟起伏地形下瞬变电磁响应,通过麦克斯韦方程直接导出瞬变电磁扩散方程,引入虚拟位移电流项构建时域有限差分方程.首先,针对均匀半空间模型的计算结果与解析解进行对比,检验本文算法精度;然后,模拟分析了山峰、沟谷模型的地形响应特征,得出早期信号表现为两种特征,沟谷地形,早期“前段”较正常地形感应电动势值减弱,导致“假高阻异常”,早期“后段”较正常地形感应电动势值值增强,导致“假低阻异常”,山峰地形特征恰好相反,至晚期地形影响呈逐渐减弱的趋势;最后,通过实测数据证实正演模拟结果的正确性.研究结果对地形效应识别及校正工作具有较好的参考意义.     

基于传输线法模拟探地雷达在多层介质模型中的传播

数值模拟是研究探地雷达电磁波在多层介质中传播规律的有效手段,传输线算法是一种基于Huygens原理的时域分析电磁场方法。这里阐述了TLM方法的基本原理及基本关系式,用TLM方法对多层介质进行了正演模拟,将模拟结果与FDTD方法合成结果进行了对比,结果表明了TLM用于GPR正演计算的正确性及有效性。应用该算法对已有模型进行了定性分析,验证了随着介电常数和电导率增大,雷达电磁波衰减加快的结论。     

地下水污染调查中探地雷达有限差分数值模拟

基于探地雷达正演模拟软件GprMax,针对地下水不同污染途径和不同污染介质,建立了地下水污染的5种模型,采用有限差分法进行了数值模拟计算。模拟结果表明探地雷达在探测地下水污染中有较好的应用效果。