路用探地雷达的应用技术研究进展

有效、无损、快捷、简便是公路检测技术发展的方向，当前国内外先进的浅层勘探技术——路用探地雷达检测，以其无损、快捷以及浅层高分辨率的优势被迅速应用于公路检测。本文对近年来路用探地雷达技术的发展及应用情况进行了介绍，详细分析了探地雷达的工作原理、系统组成结构。就探地雷达在公路建设、维护过程中的应用情况进行了系统总结。     

地下钻杆透层天线

对于有耗分层媒质中的垂直透层天线，建立了Ｈａｌｌｅｎ积分方程分析法的一般理论以及求取地面电场和电压的计算方法．作为应用实例，给出了地下３层媒质中钻杆天线上的电流积分方程，并对典型的地质参数进行了数值计算．所得结果和结论，与已知的理论结果和实验规律吻合。     

基于改进全变差正则化的GPR多尺度全波形双参数同步反演

针对探地雷达（GPR）双参数全波形反演中电导率反演精度差、双参数存在串扰现象、反演计算量大、易陷入局部极值等问题.作者将具有多参数调节功能的L-BFGS算法引入到GPR时间域全波形反演中,它避免了对Hessian矩阵的直接存储与精确求解,减小了存储量和计算量.结合参数调节因子的选取,有效减小了同步反演时介电常数与电导率的串扰影响,在不降低介电常数反演精度的前提下,提高电导率参数的反演精度.通过在反演目标函数中加载改进全变差正则化方法,提高了反演的稳定性,使目标体边缘轮廓更加清晰.首先以简单模型为例,对比了单尺度反演与多尺度串行反演策略的优劣,说明多尺度串行反演有利于逐步搜索全局最优解;而开展参数调节因子的选取实验,说明合适的参数调节因子可以有效改善介质电导率的反演精度;测试了不同正则化的反演效果,表明改进全变差正则化能提高反演稳定性,显著降低模型重构误差.最后,分别对含噪合成数据和实测数据进行了反演测试,说明本文提出的多尺度、双参数反演具有较强的鲁棒性,能提供更丰富的信息约束,重构图像界面清晰、反演效果好.     

Truncated dunes as evidence of the 2004 tsunami in North Sumatra and environmental recovery post‐tsunami

The 2004 tsunami transformed the coast of Indonesia. This research investigates a sand dune area in Lampuuk, Sumatra, that was scoured by tsunami flow. We assessed geomorphology one‐year post‐event and examine the timescale of vegetation recovery. Ground Penetrating Radar (GPR) evidence shows an eroded succession of thin dipping units, overlain by aeolian layers 0 to 50 cm thick. Incipient dunes were absent, indicating limited dune rebuilding at one‐year post‐tsunami, possibly resulting from channelised airflow and the absence of vegetation. Recolonisation by vegetation was initially limited but progressed rapidly between 2005 and 2011, highlighting the temporal non‐linearity of recovery processes.     

基于测月雷达机制月壤相对介电常数反演方法模拟研究

嫦娥三号卫星于2013年12月2日发射,并成功着陆月球,其巡视器上搭载的测月雷达实现了首次雷达就位探测月球。基于测月雷达的探测机制,给出了两种计算月壤相对介电常数的方法,标定件标定法和双天线时延法,并通过仿真验证了两种计算方法的有效性,文中同时给出了两种计算方法存在的局限性,为后期基于嫦娥三号雷达数据进行月球次表层的介电特性反演提供了重要依据。     

带有低通滤波的广义S变换在探地雷达层位识别中的应用

同其它分析时变信号的方法相比,S变换具有独特的优点.但是S变换的时窗函数形式固定,限制了其在信号分析和处理中的应用.针对这一问题,本文对S变换进行了改进和推广,在S变换的时窗函数中引入调节参数,同时将低通滤波函数融入其中,提出了一种广义S变换.通过调节参数大小来调节广义S变换的时间分辨率和频率分辨率,从而使该变换具有很强的适用性.本文使用该变换对实测探地雷达数据进行了层位识别研究,取得了较好的效果.     

基于卷积完全匹配层的非规则网格时域有限元探地雷达数值模拟

复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟.     

衰减夹层GPR模拟的时频域全局反射误差

全局反射误差分析是深入研究探地雷达(GPR)吸收边界条件吸收效率的有力工具.基于常规完全匹配层(PML)的标准交错网格有限差分算法必须满足严格的CFL条件限制,即在单位时间步长内,不容许电磁波传播的距离超过单元网格尺寸.为了提高主区域所有网格节点的计算效率,并有效地吸收传播后期出现的低频隐失波,提出基于非分裂递归卷积完全匹配层(UCPML)的旋转交错网格(RSG)GPR正演算法.该算法采用不同的网格交错策略,并在边界条件中引入了吸收低频隐失波的自由可变因子,使得该算法允许选取较大的时间步长,提高了计算效率,并且实现了对低频隐失波的高效吸收.本文首先给出了RSG差分格式,推导了基于UCPML的RSG差分更新方程,探讨了数值色散的稳定性条件,然后以绕射现象严重的衰减夹层数值模拟为例,分别从波场快照、单道波记录、时间域反射误差(TDRE)、频率域反射误差(FDRE)四个方面分析了UCPML与常规PML的全局反射误差,说明了基于UCPML和RSG的GPR正演算法能更有效地吸收低频隐失波.     

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.     

Frequency domain electromagnetic and ground penetrating radar investigation of ephemeral streams: case study near the Southern High Plains,Texas

A frequency domain electromagnetic (FDEM) and ground penetrating radar (GPR) study was conducted on an ephemeral stream in north-central Texas to determine if FDEM and GPR measurements can be combined to determine the electrical characteristics of current and ancient stream channels. GPR data were collected at several frequencies to image sedimentary structures of different scale lengths, and to determine the formation porosity and water content of stream sediments. FDEM measurements were collected using Geonics EM31 and EM34 loop–loop instruments on a profile along the current stream channel and five profiles perpendicular to the channel. The results indicate that the greater spatial resolution of the EM31 mapped the current and possible ancient channels better than the EM34, however, the EM34 provided depth information on the formations underlying the channel sediments that the EM31 could not image. GPR measurements taken along a point bar deposit with 200, 100 and 25 MHz antennae indicated that the higher frequency antenna better resolved channel structures including laminar bedding, trough scours and cross-bedding, however, lower frequency antenna (25 MHz) imaged sedimentary structures within the underlying channel sediments. Common midpoint GPR measurements collected along the point bar deposit were used to estimate the sediment formation porosity (26%) and the water content, during a dry period, of the unsaturated (12%) and saturated (26 or 100% of the pore space) sediments. The combined results indicated that the FDEM data should be collected first because of the speed and ease of measurements. The FDEM data (especially the EM31) pointed to the locations of possible sedimentary structures, which can then be resolved by using different frequency GPR measurements.