基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟

通过数值模拟研究探地雷达（GPR）高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义.复频移完全匹配层边界条件（CFS-PML）以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率.为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算.在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式.两个GPR模型的模拟结果表明：本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度.

     

最优系数有限单元法色散介质GPR频率域正演模拟

工程实际勘探对象如土壤、岩石等多为色散介质,雷达波在其中传播时易发生衰减与畸变,应用常规有限单元法（Finite Element Method,FEM）方法进行数值模拟时,存在数值频散现象.为此,作者以色散介质为研究对象,开展最优系数有限单元法探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）频率域正演.首先,分析了有限元质量、刚度矩阵的约束条件对有限元求解精度的影响,基于归一化相速度与1的误差最小策略,利用最小二乘法,仅需三个优化参数求取最优的有限元刚度矩阵与质量矩阵.四种不同方法的频散曲线分析及精度对比实验结果表明,优化矩阵在单位波长仅需4.8个网格点下便可达到误差小于0.2%的精度;而一致、集中和折衷矩阵不仅需要更多的网格点,且误差较大.然后,将精确完全匹配层（Exact Perfectly Matched Layer,EPML）吸收边界条件引入最优系数频域有限单元（Finite Element Frequency Domain,FEFD）算法中,简化了吸收参数优化过程,取5层即可达到常规完全匹配层（Perfectly Matched Layer,PML）的10层的吸收效果,能够有效提升正演效率.并将基于EPML的最优系数有限单元法算法引入到城市道路病害模型正演中,实验表明：本文算法能有效压制频散并实现实际色散介质高精度模拟,模拟结果更接近波在地下介质中的实际传播特性.

     

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.     

混合ADI-FDTD亚网格技术在探地雷达频散媒质中的高效正演

提出混合ADI-FDTD亚网格技术开展频散介质GPR正演,即在物性参数变化剧烈局部区域采用细网格剖分ADI-FDTD计算,其他的区域采用粗网格剖分常规FDTD计算,ADI-FDTD突破了CFL条件的限制,可选取与粗网格一致的大时间步长,有效地提高了计算效率.本文首先基于Debye方程,推导了粗网格FDTD及细网格ADI-FDTD频散介质差分格式,着重对粗细两种网格结合的场值交换方式进行了深入探讨,给出了该算法的计算流程.然后以一个薄层模型为例,分别应用粗网格、细网格、混合ADI-FDTD亚网格算法对该模型进行正演,计算资源的占用及模拟精度说明了混合ADI-FDTD亚网格算法的优势.最后,建立频散介质与非频散介质的组合模型,应用3种方法对该模型进行正演,对比3种方法优劣,分析雷达剖面中非频散介质及频散介质中波形特征,有效地指导雷达资料的精确解释.     

消除探地雷达数据的子波衰减和频散的反滤波方法

消除探地雷达数据的子波衰减和频散可以很好地提高探地雷达的勘探深度和勘探分辨率.常用的消除探地雷达数据的子波衰减和频散方法为反Q滤波方法.该方法需要利用地下介质的Q参数,但是正确求取地下介质的Q参数很困难.针对这一问题,本文提出了一种消除探地雷达数据的子波衰减和频散的反滤波方法.该方法以地下介质反射系数是随机数为前提,利用地下介质等效滤波器具有最小相位这个特性,通过求取等效滤波器的振幅谱来求取等效滤波器的反滤波器.最后,利用该反滤波器对探地雷达数据进行反滤波,实现消除探地雷达数据的子波衰减和频散.     

频散介质中地质雷达波传播的数值模拟

地质雷达所探测的地球介质常常具有频散性．为了研究地质雷达在频散介质中的探测能力,提出了频散介质中时间域有限差分法计算麦克斯韦方程的方法,给出了满足Debye关系的频散介质中的电位移和磁场的迭代算法,以及由电位移计算电场的算法．只有在电场计算时才用到介质的物性参数．提出一种新的吸收边界条件的算法,通过增加假想的介电常数和磁导率,实现了吸收层中波的无反射衰减,克服了以往Berenger完全匹配层计算时对场进行分裂带来的麻烦,从而提高了计算效率．计算实例表明,频散介质中电磁波的衰减更快,测量信号变得很弱．     

区间B样条小波有限元GPR模拟双相随机混凝土介质

基于可分离小波理论,由一维区间B样条小波尺度函数的张量积构造二维B样条小波基,并将它作为GPR波动方程求解的插值函数,通过引入转换矩阵,实现小波系数空间与雷达电磁场之间的转换.应用Galerkin算法,推导了二维区间B样条小波有限元GPR波动方程离散格式,求出了2阶1尺度与2阶2尺度BSWI尺度函数的积分值及联系系数,给出了该算法的详细求解过程.编制了BSWI的Matlab模拟程序,应用该程序对两个典型实例进行了正演,结果表明：BSWI能采用较少的单元达到与FEM相似的精度,而BSWI算法尺度提升能提高解的精度,但耗时会急剧增加.最后,将BSWI算法应用于双相随机混凝土模型,说明随机介质模型理论能灵活、有效地描述实际混凝土介质的分布,正演剖面与实测剖面特征更相符,能更真实地模拟雷达波的传播过程,可为提高GPR的探测效果和解释准确性提供理论基础.     

基于混合边界条件的有限单元法GPR正演模拟

从Maxwell方程组出发,推导了探地雷达(GPR)有限元波动方程.阐述了透射边界条件和Sarma边界条件的原理,推导了这两种边界条件的理论公式;通过在衰减层内加入过渡带优化了Sarma边界条件的加载方法,压制了介质区和衰减层交界面处的人为反射.考虑到透射边界条件与Sarma边界条件不同的理论机制,提出了一种结合透射边界条件和Sarma边界条件的混合边界条件,它利用Sarma边界条件对到达边界区域的GPR波能量衰减功能和透射边界对GPR波能量的透射功能,使GPR波经过Sarma边界条件的衰减吸收后,再通过透射边界条件将剩余能量透射出去,集成了二者的优势.并以二维均匀模型中的中心脉冲激励源方式为例,通过Matlab程序实现,以GPR的全波场快照的直观方式,对比了有、无边界条件及不同边界条件对人工截断边界的处理效果,说明了该混合边界条件对到达截断边界处的GPR波的处理优于单一边界条件.最后,以基于混合边界条件的有限单元法对两个典型的GPR地电模型进行了正演模拟,指导了GPR数据处理与工程实践.     

基于PML边界条件的二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟

完全匹配层(PML)作为一种稳定高效的吸收边界条件,广泛应用于基于一阶电磁波动方程的探地雷达(GPR)数值模拟中.为解决基于二阶电磁波动方程的GPR数值模拟的吸收边界问题,本文借鉴二阶弹性波动方程的PML边界条件构建思想,提出了一种适合二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟的PML边界条件.从二阶电磁波动方程出发,基于复拉伸坐标变换,推导了PML算法的频域表达式;通过合理构造辅助微分方程,得到了PML算法的时域表达式,并以变分形式(弱形式)加载到GPR时域有限元方程中,实现了PML边界条件在二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟中的应用.在此基础上,对比了无边界条件、Sarma边界条件和PML边界条件下均匀模型的波场快照、单道波形、时域反射误差和能量衰减曲线,结果表明:PML边界条件的吸收效果要远优于Sarma边界条件,具有近似零反射系数.一个复杂介质模型的正演模拟验证了PML边界条件在非均匀地电结构中电磁波传播模拟的良好吸收效果.     

横向非均匀介质多道瑞雷波频散曲线正演

作为近地表横波速度结构成像的主要手段之一,面波多道分析法的正问题研究对现场观测系统设计及后续反演计算具有重要意义.目前面波频散曲线的正演主要分为两类:一是对水平层状介质中面波的本征值问题进行求解,该类方法计算效率高但较难考虑地下介质在横向上的不均匀性;二是基于波动方程的全波场模拟,该类方法在理论上可考虑任意复杂的地质模...     

利用探地雷达频谱反演层状介质几何与电性参数

通过对地下层状介质探地雷达(GPR)回波广义反射系数的奇偶分解,建立了联系GPR反射系数序列频谱与介质几何参数、电性参数的代价函数,这些介质参数包括地下反射面的深度、层厚度以及各层的介电常数和电导率,从而提出了一种由GPR频谱同时估算地下介质多参数的全局优化反演方法.为了对多参数全局优化算法给出一个合理的参数初值,研究了不同参数对反射系数序列频谱属性的影响规律,提出了利用不同频谱属性分别估算不同参数的分步反演方法.以分步反演方法得到的结果作为多参数全局优化反演的初值,可以极大地提高反演计算的效率和反演结果的可靠性.用理论模型合成数据和GPR公路检测数据对本文方法进行了测试,结果表明本文方法效果良好,具有较高的分辨率,能较好的给出厚度小于调谐厚度的薄层的深度、厚度和介电常数等参数.     

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.     

复电阻率法二维有限元数值模拟

伴随着复电阻率法的广泛应用,发展精确和快速的正演和反演算法成为复电阻率法研究的重点.本文采用基于三角单元剖分的有限单元法进行了复电阻率二维数值模拟研究.为了提高计算速度,对无穷远边界进行了近似处理.整个正演计算过程分为两步,首先采用有限单元法计算四个不同频率的视复电阻率数据,然后对前一步得到的视复电阻率数据采用递推算法计算视Cole-Cole参数.采用这种正演算法与一维正演的结果进行了对比,验证了本文方法的正确性.设计了两个二维极化模型,数值模拟结果表明视复电阻率和Cole-Cole视参数等值线断面图对于异常目标体都有比较明显的反映.     

三维错格时域伪谱法在频散介质井中雷达模拟中的应用

数值模拟对井中雷达数据的解释有重要意义.通常采用的时域有限差分法(FDTD)在网格足够细的情况下能够精确地模拟井中雷达,但对于相对较大的模型,要得到较好的精度其所需要的时间和计算机内存都非常大.我们尝试用伪谱法来模拟三维井中雷达,其在平缓介质中达到与FDTD相同精度每个波长所需的网格要少数倍,因此在保证精度的情况下使模拟范围大大增加.常规网格伪谱法常伴有Gibbs现象,本研究通过在一个方向以两点为源和采用交错网格的方法有效解决了上述问题.对于Debye频散介质,我们应用二阶显式Runge-Kutta方法求解时间步,该法较中心差分方法更直观、更简便,且在我们考虑的介质范围内是稳定的.