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。     

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。     

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。     

探地雷达测量近地表含水量的研究

为充分验证探地雷达方法用于测量近地表含水量的有效性和可靠程度,基于探地雷达的反射波法,根据介电常数、电磁波传播速度和含水量三者之间的关系,着重分析了探地雷达反射波法用于测量含水量的相关理论和特点,设计了适用于高频雷达信号的速度分析算法,建立了用于分析该问题的局部含水层模型。利用FDTD方法模拟分析了不同测量方式下,局部含水层的探地雷达响应,借助速度分析理论及Topp公式,反演得到了研究区域的含水量。     

介质含水率与探地雷达信号关系数值模拟

采用时间域有限差分技术实现了探地雷达三维正演计算,并以此对介质含水率与探地雷达信号关系开展了数值模拟研究.物理模型实验与数值模拟计算结果的对比分析证明了数值模拟的有效性.     

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。     

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。     

探地雷达空气回波特点与处理方法

探地雷达发射的电磁波在整个空间传播,存在空气中回波,空气中回波可分为以下3种：直达波、系统振铃、反射回波。直达波位于探地雷达记录的初期很小时间段,对识别地下介质反射影响不大,系统振铃和地表反射体的回波是探地雷达探地工作的主要干扰。空气中反射体的反射回波时距曲线一般有两种形式：双曲线型、线型。可以通过计算介质中电磁波波速来识别反射回波是空气中反射体形成的,还是地下介质反射形成的。应用水平背景移除、二维滤波可以有效滤除探测剖面中的水平和倾斜同向轴干扰信号;利用地下介质和空气中雷达波速进行偏移处理的资料进行对比解释可以有效提高解释的正确性。     

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。      

基于随机分布的断裂破碎带GPR剖面特征分析

为了验证探地雷达在查找基岩中断裂破碎带的有效性、以及进一步认识破碎带在探地雷达反射剖面上的表现特征,结合概率论和数理统计知识,通过设置断裂破碎带中介质的介电常数在一定空间范围内随机分布,建立了更为贴合实际的断裂破碎带模型,使用时域有限差分方法正演模拟其二维GPR反射剖面,较好地揭示了断裂破碎带的GPR剖面特征.通过对不同破碎程度和基岩具有不同介电常数的破碎带模型进行正演模拟,分析其正演GPR剖面的图像差异,较为深入地认识了断裂破碎带在GPR剖面上反映出的特征.最后,进一步引入工程实例,发现通过正演模拟揭示的断裂破碎带GPR 剖面特征在断裂破碎带的实际探测剖面上也是存在的,说明通过正演模拟来指导实际资料的解释是现实可靠的.     

探地雷达探测地下采空区的研究

地下采空区的存在严重威胁着地面建筑物和矿山的安全。介绍了探地雷达的原理和技术方法,包括数据采集、数据处理和资料解释,分析了煤矿采空区的地球物理特征及主要的技术难度,结合具体工程实例,探讨了利用探地雷达技术查明地表浅部采空区的效果。     

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。     

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。     

探地雷达在涌山煤矿大桥勘探中的应用

探地雷达是利用高频电磁脉冲的反射对地下目的体及地质现象进行探测的一种高效浅层勘探方法。随着电子计算机技术的不断发展,该技术的应用领域不断扩大。从探地雷达的基本原理出发,论述了探地雷达在涌山煤大桥桥址探测上取得的良好效果,并提出了一些探地雷达技术应用应注意的问题。     

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.