矿井地质雷达正演中的两个理论问题

从麦克斯韦方程组出发,建立了矿井地质雷达的时域有限差分法(FDTD)数学模型,导出了理想频散关系和超吸收边界条件.理想频散关系能真实地反映雷达波在地下介质中的传播规律,压制数值频散现象超吸收边界条件能有效减小截断边界的伪反射,提高正演精度.将之应用于实际计算,取得满意效果.     

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。     

MT有限元模拟中截断边界的影响

利用有限元方法进行大地电磁正演数值模拟时,由于是在有限网格区域上的数值计算,模拟计算时的网格边界为截断边界,而有限元数值模拟时的大地电磁场边界条件需要在足够远处才能够满足,所以截断边界的存在可能会使大地电磁正演模拟的边界条件无法满足,致使对计算结果和计算精度产生影响。利用有限元二维正演程序,在网格边界处加载一维情况下的大地电磁场,然后固定研究区域的网格剖分,并对一维地电模型和二维地电模型在改变有限元网格边界大小的情况下进行计算。在对一维模型进行模拟计算时,截断边界对边界条件没有影响,边界条件自然满足。而对二维模型进行模拟计算时,截断边界的存在对计算结果有较大影响。利用趋肤深度作为有限元网格边界变化的量度,通过改变网格边界大小,对不同的二维地电模型进行计算比较,总结出适合大地电磁有限元正演模拟的参考网格边界。     

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。     

地质雷达正演中的频散压制和吸收边界改进方法

从麦克斯韦方程组出发,建立了地质雷达的时域有限差分法（ＦＤＴＤ）数学模型,导出了理想 散关系和超级吸收边界条件。理想频散关系 考虑了ＦＤＴＤ法的收敛性和稳定性,也考虑了高频电磁波在Ｙｅｅ氏网格中的传播特点;超吸收边界条件则用磁场分量来提高电场分量精度。数值试验表明,理想频散关系能真实地反映雷达波在地下介质中的传播规律,超吸收边界条件能有效减小截断边界的伪反射,提高正演精度。将之应用于实际计算,取得     

矿井地质雷达超前探测正演模拟

用时间域有限差分(FDTD)法建立矿井地质雷达的模型。采用理想频散关系和超吸收边界条件,对几个典型矿井地电模型进行了正演模拟,研究了矿井地质雷达超前探测的剖面特征。巷道对各道直达波能量分布及波列形状有明显影响;煤岩分界面主要影响反射波能量分布。      

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。     

煤火区浅部松散煤体及采空区的探地雷达响应特征

探地雷达对浅层勘探具有较高分辨率,为煤田火区浅部松散煤体或采空区等典型火源地质结构探测提供了重要手段。然而如何识别各种火源地质结构体,确定火区重点范围还存在一定的理论不足。基于电磁波理论,采用时域有限差分法正演模拟了火区典型地质体地电模型雷达响应,其特征表现为：松散跨塌煤体对应雷达响应绕射波严重,其内部波形紊乱;空洞区顶界面回波能量强,较为连续,其内部无绕射。正演模拟和现场测试研究表明：探地雷达对识别浅埋火区煤层松散跨落程度,圈定火烧重点区域,减少灭火成本和火区开采安全事故具有重要的现实意义。     

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。     

基于GprMax软件的道路路基空洞探地雷达正演模拟

探地雷达具有高效、无损、分辨率高、使用灵活的特点,在道路检测方面的应用越来越广泛。根据时域有限差分(FDTD)算法,建立理想条件下道路路基充气和充水空洞模型,用GprMax及Matlab编程分别对不同形状、不同激励源频率、不同大小条件下空洞模型进行正演模拟,并对空洞模型正演模拟雷达图像进行分析。模拟结果有助于对实际探测空洞识别和雷达图像的解释,为探地雷达在路基空洞检测应用提供参考。     

基于探地雷达的工作面异常体精准探测技术

在井下采煤工作面回采进程中,及时掌握工作面煤层前方的异常情况,是煤矿安全、高效生产的保障。探地雷达是一种高效、无损伤探测方法,被广泛应用在矿井。针对探地雷达探测异常体响应的图像解译精度与成像精度取得了显著的成果,而如何用探地雷达去圈定地质异常体位置与空间分布范围是研究的热点问题。提出一种多剖面与线性插值融合的采煤工作面内部异常体精准探测新方法。主要研究思路：首先,通过时域有限差分算法（finite-difference time-domain, 简称 FDTD）对构建煤层空洞、断层的三维模型进行正演模拟,通过克希霍夫偏移处理大致圈定异常体的响应范围;其次,获取存在异常体响应的单道波数据的多剖面图,通过线性插值确定异常体的精确位置坐标与具体尺寸,引入面积评价标准来验证探测结果的相似度;最后使用 LTD-2600 型的探地雷达与 900 MHz的屏蔽天线对构建的空洞物理模型进行现场试验,将获得空洞计算剖面与实际空洞尺寸进行对比验证;并在斜沟煤矿 18201工作面开展应用,验证方法的有效性。实践证明,应用此方法对雷达剖面图进行分析,分析结果表明实测空间位置与实际空间位置的误差均在10%以下,可相对准确圈定工作面异常体的具体尺寸与空间分布范围。     

随机介质中的探地雷达叠前逆时偏移成像

为了更好地分析探地雷达(GPR)叠前逆时偏移算法对实际地下随机分布介质的成像效果,采用随机过程的谱分解和混合型自相关函数理论构建了不同自相关长度的GPR随机介质模型。基于时域有限差分法(FDTD)构建了GPR叠前逆时偏移成像算法,其中FDTD用于计算正传和反传电磁波场,归一化互相关成像条件用于获取逆时偏移成像剖面。在此基础上,利用该算法对两个随机介质模型的多偏移距正演数据进行计算,并与相应背景介质为均匀介质的逆时偏移结果进行对比。结果表明:电磁波在随机介质中散射强烈,反射波扭曲变形、不连续,形成了明显的随机扰动,致使逆时偏移成像剖面的空间分辨率更低,低频噪声更强;自相关长度是影响随机介质中异常体成像效果的主要因素,自相关长度越小,异常体的成像越清晰,自相关长度越大,异常体的成像效果越差,且不易被识别。     

基于GPRMax2D的地下管线精细化探测方法

探地雷达是探测地下结构及其分布规律的一种重要的浅层地球物理探测方法,具有分辨率高、无损、抗干扰能力强、结果直观等优点,在工程物探领域被广泛应用。为提高对地下管线雷达图像特征的认识,确定管线异常体的位置,提高地质雷达的解释精度,利用时域有限差分法(FDTD)对地下管线进行精细化探测,包括对管线埋深、材质、管线内充填物、管线病害等影响因素的数值模拟,以此建立地下管线正演模拟合成图库,进而指导探地雷达实际探测图像的解释工作。现场管线探测结果表明:探地雷达可准确探测出地下管线的埋设位置及运行状态,为今后的维修养护提供了依据。     

有耗介质探地雷达波传播衰减特性的研究

探地雷达是利用超高频脉冲电磁波探测地下介质分布的一种浅层地球物理勘探方法,探地雷达超高频、宽频带脉冲电磁波在地下有耗介质中的衰减特性是一个十分复杂的过程。本文从电磁波传播的麦克斯韦方程出发,较为系统地研究和分析了雷达脉冲电磁波在有耗介质中传播的衰减特性,对研究雷达脉冲电磁波在地下有耗介质中的传播机制有指导意义。     

蒙特卡洛方法在地质雷达探测地下管道中的应用

地质雷达是一种探测金属和非金属管道的有效方法,传统方法是利用经验电磁波速度计算管道埋深,存在较大误差,且往往无法估算管径或算法繁琐。蒙特卡洛方法是一种随机模拟的地球物理反演手段,从雷达图像中读取一系列反射回波穿行时间和雷达相对于管顶的位置数据,给定合理的电磁波速度、管道埋深和管径3个参数的范围,可以有效地拟合得到速度、埋深和管径。该方法在南京地铁盾构某区段,用来拟合估算地下输油管、自来水管和污水管的埋深及管径,取得了与实际情况较为一致的结果,拟合的电磁波速度符合地下介质情况。