【摘要】：摘要：探地雷達(dá)是利用高頻電磁波在地下介質(zhì)中的反射、繞射等傳播特性來(lái)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)和特性的重要淺層地球物理方法,已廣泛的應(yīng)用在工程勘察與無(wú)損檢測(cè)的眾多領(lǐng)域,表現(xiàn)出強(qiáng)勁的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。目前,GPR資料解譯仍主要依靠人工判斷與經(jīng)驗(yàn)解譯,以定性為主,易產(chǎn)生虛警及誤解釋,與GPR工程勘探的高精度和高分辨率客觀要求相比,仍存在不少差距。因此,開展雷達(dá)波的正演模擬研究,使得一些復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象能夠計(jì)算出正演雷達(dá)圖譜,進(jìn)而能夠了解復(fù)雜地質(zhì)體的雷達(dá)圖像回波特征,對(duì)提高數(shù)據(jù)解譯水平仍具有重要意義。此外,GPR正演也是反演的核心引擎,正演速度的快慢決定了反演算法的效率,它與反演相得益彰,互相促進(jìn)。因此,深入開展高效、高精度正演算法的研究,有助于反演技術(shù)的提升。 本文開展了FDTD、ADI-FDTD、混合ADI-FDTD亞網(wǎng)格技術(shù)的GPR正演算法研究；并在作者多年從事水利工程GPR應(yīng)用的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了GPR水上作業(yè)技術(shù)、總結(jié)了水庫(kù)淤積探測(cè)的一些重要技術(shù)措施和創(chuàng)新,可為GPR技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用推廣提供科學(xué)依據(jù)。該研究是在深圳水務(wù)專項(xiàng)資金(深水務(wù)[2011]200)的資助下進(jìn)行的,主要開展了以下工作： (1)基于Maxwell方程組,結(jié)合媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系及Yee氏網(wǎng)格,導(dǎo)出了二、三維FDTD法頻散與非頻散介質(zhì)雷達(dá)波正演的差分方程、CFL數(shù)值穩(wěn)定性條件和數(shù)值頻散關(guān)系表達(dá)式,為應(yīng)用FDTD算法開展高精度GPR正演計(jì)算打下理論基礎(chǔ)。 (2)闡述了二階近似的Mur邊界條件、UPML、CFS-PML邊界條件的原理,開展了UPML與CFS-PML邊界的差分公式推導(dǎo)及參數(shù)設(shè)置討論。應(yīng)用均勻介質(zhì)中GPR波場(chǎng)傳播快照,對(duì)比了大區(qū)域無(wú)截?cái)�、截�(cái)嗵帥]有加載邊界條件、加載3種不同邊界條件5種情況下的邊界處反射波的強(qiáng)弱,試圖說(shuō)明UPML、CFS-PML邊界條件的吸收效果。為了進(jìn)一步對(duì)比UPML與CFS-PML吸收效果,設(shè)置了雙層介質(zhì)狹長(zhǎng)模型,試圖通過(guò)波場(chǎng)快照與全局反射誤差來(lái)證明CFS-PML對(duì)隱失波、低頻波、掠角波的吸收效果。 (3)基于Matlab平臺(tái)與C++語(yǔ)言編制了GPR二維、三維FDTD正演程序,應(yīng)用具有解析解的三層模型驗(yàn)證了程序的正確性及算法的有效性；然后,將該程序應(yīng)用于介電常數(shù)、電導(dǎo)率與雷達(dá)波傳播特性之間,異常體埋深、雷達(dá)頻率與雷達(dá)分辨率之間的關(guān)系分析中,開展了有效的實(shí)例驗(yàn)證。 (4)設(shè)計(jì)了1個(gè)復(fù)雜二維GPR地電模型、1個(gè)含有3個(gè)異常體的典型三維雷達(dá)地電模型,應(yīng)用二、三維FDTD雷達(dá)模擬程序進(jìn)行了正演計(jì)算,得到了二維雷達(dá)剖面圖及波場(chǎng)快照、三維剖視圖與切片圖,系統(tǒng)地反映了異常體的回波特征,加深了對(duì)雷達(dá)反射剖面的認(rèn)識(shí),有助于了解雷達(dá)波在空間的傳播特性。 (5)總結(jié)了ADI-FDTD算法的特點(diǎn)：它將FDTD算法中一個(gè)時(shí)間步迭代過(guò)程在ADI-FDTD算法中被兩個(gè)子時(shí)間步的迭代所取代,兩個(gè)子時(shí)間步分別交替取隱式與顯式。開展了二維TM波的ADI-FDTD算法的穩(wěn)定性證明與數(shù)值色散關(guān)系分析,試圖證明ADI-FDTD具有無(wú)條件穩(wěn)定的特點(diǎn),可選取較大的時(shí)間步長(zhǎng)；推導(dǎo)了二、三維GPR正演的ADI-FDTD的差分迭代計(jì)算公式。 (6)深化了基于混合ADI-FDTD亞網(wǎng)格技術(shù)GPR正演算法,著重探討了粗細(xì)網(wǎng)格之間場(chǎng)值的過(guò)渡與銜接、場(chǎng)值的交換與更新等重要內(nèi)容,指出算法的核心思想為：在物性參數(shù)變化劇烈局部區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格剖分ADI-FDTD計(jì)算,其他的區(qū)域采用常規(guī)FDTD計(jì)算,因?yàn)锳DI-FDTD突破了CFL條件的約束,可選取與粗網(wǎng)格一致的大時(shí)間步長(zhǎng),計(jì)算中只需考慮空間不一致網(wǎng)格的場(chǎng)值交換問(wèn)題,時(shí)間步長(zhǎng)一致完全不用考慮,編程計(jì)算簡(jiǎn)便,能有效地提高計(jì)算效率。 (7)結(jié)合GSSI公司的Radan后處理軟件,編制了基于混合ADI-FDTD亞網(wǎng)格算法的探地雷達(dá)2D與3D正演模擬及顯示程序,將該程序?qū)Ρ尘敖橘|(zhì)為Deybe復(fù)介電常數(shù)的二維矩狀異常體模型、頻散介質(zhì)及非頻散介質(zhì)構(gòu)成的橫向不均勻二維組合模型、三維雷達(dá)地電模型進(jìn)行了正演,將它的正演結(jié)果與粗網(wǎng)格FDTD及細(xì)網(wǎng)格FDTD算法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,試圖證明ADI-FDTD算法在精確性與時(shí)效性之間能夠取得滿意的平衡,為高精度、高效率雷達(dá)反演算法研究打下基礎(chǔ)。 (8)將GPR正演計(jì)算應(yīng)用于水利工程實(shí)踐中,建立了7種不同構(gòu)造的典型河道淤泥厚度模型,應(yīng)用FDTD對(duì)這些模型開展了正演模擬計(jì)算,得到相應(yīng)的二維雷達(dá)反射剖面圖,通過(guò)對(duì)比分析模型圖與雷達(dá)正演模擬剖面圖,找出目的物邊界雷達(dá)圖譜特征,指導(dǎo)實(shí)際雷達(dá)探測(cè)圖譜的解釋,證明探地雷達(dá)方法在河道淤積厚度、拋石范圍探測(cè)中的有效性。 (9)研究了GPR水上工作技術(shù),通過(guò)改進(jìn)天線耦合方式,最大限度地減少了天線與水面之間的反射能量損失、反射干擾,提高了探地雷達(dá)探測(cè)深度,增大了探地雷達(dá)水上作業(yè)使用范圍,有效地解決了水利工程中水庫(kù)、河道淤泥探測(cè)難題,提高了探測(cè)精度與效率,為水利工程安全隱患診斷提供更充分的依據(jù)。 通過(guò)以上仔細(xì)認(rèn)真的研究工作得出了如下研究結(jié)論： (1)證明了UPML、CFS-PML邊界條件具有較好的吸收效果,CFS-PML對(duì)隱失波、低頻波、掠角波能更高效地吸收。 (2)基于Matlab平臺(tái)與C++語(yǔ)言編制了GRP二維、三維FDTD正演程序,編制了基于混合ADI-FDTD亞網(wǎng)格算法的探地雷達(dá)2D與3D正演模擬及顯示程序。 (3)證明了ADI-FDTD具有無(wú)條件穩(wěn)定的特點(diǎn),可選取較大的時(shí)間步長(zhǎng)；推導(dǎo)出了二、三維GPR正演的ADI-FDTD的差分迭代計(jì)算公式。 (4)證明了在物性參數(shù)變化劇烈局部區(qū)域采用細(xì)網(wǎng)格剖分ADI-FDTD計(jì)算,其他的區(qū)域采用常規(guī)FDTD計(jì)算的可行性；論證了ADI-FDTD算法在精確性與時(shí)效性之間能夠取得滿意的平衡,這就為提高計(jì)算效率,為高精度、高效率雷達(dá)反演算法研究打下基礎(chǔ)。 (5)利用以上研究成果對(duì)7種不同構(gòu)造的典型河道淤積厚度模型開展了正演模擬計(jì)算,得到相應(yīng)的二維雷達(dá)反射剖面圖,通過(guò)對(duì)比分析模型圖與雷達(dá)正演模擬剖面圖,找出了各類目的物的邊界雷達(dá)圖譜特征,這就可以對(duì)工程實(shí)際雷達(dá)探測(cè)圖譜的解釋作出指導(dǎo),減少了誤判,提高了資料解釋進(jìn)度。 (6)改進(jìn)了GPR水上作業(yè)天線耦合方式,減少了天線與水面之間的反射能量損失、反射干擾,提高了探地雷達(dá)探測(cè)深度、精度,擴(kuò)大了探地雷達(dá)水上作業(yè)范圍(如大江大河水下覆蓋層厚度探測(cè)等難題就可能變得很容易解決了)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TV22;P631.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2367998