FDTD算法實現(xiàn)及典型地下結(jié)構(gòu)的GPR剖面特征分析.pdf

1、隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，探地雷達適用條件已從最初的冰層、鹽礦等弱耗介質(zhì)逐漸擴展到土層、煤層、巖層等有耗介質(zhì)，其應(yīng)用范圍已經(jīng)涵蓋了考古、礦產(chǎn)資源勘探、巖土勘查、無損檢測及工程建筑物結(jié)構(gòu)調(diào)查等諸多領(lǐng)域，為經(jīng)濟建設(shè)做出了巨大貢獻。但是，隨著應(yīng)用范圍的拓廣，探地雷達勘查的對象也呈現(xiàn)了復(fù)雜化，由于缺少理論模型正演結(jié)果的對比，限制了解釋人員對復(fù)雜結(jié)構(gòu)在GPR剖面上表現(xiàn)特征的認識，傳統(tǒng)的看圖識字式的解釋方法對這些復(fù)雜對象的GPR剖

2、面解釋有時顯得無能為力。遵循劉光鼎院士提出的綜合地質(zhì)地球物理研究原則中的正演與反演相結(jié)合的思路，對這些復(fù)雜勘查對象的GPR反射剖面記錄進行數(shù)值模擬，分析它們在雷達剖面上顯示的特征，為實測GPR剖面的解釋提供依據(jù)就顯得十分必要，這也是提高雷達解決復(fù)雜問題能力的探索方向之一。 本文結(jié)合工程實踐的需要，對當前實際工程勘查中迫切需要探明的復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)進行歸納總結(jié)，建立了包括層狀、圓狀、階梯狀、斷裂破碎帶以及組合模型等幾大類具有代表性的典

3、型地電模型，使用FDTD方法對建立的幾大類典型地電模型的GPR反射剖面記錄進行正演合成，并分析、總結(jié)了它們在GPR剖面上顯示出的特征規(guī)律，在雷達剖面圖像上顯示的波形特征與模型的形態(tài)、電性特征之間建立了一定的聯(lián)系，為實測GPR剖面的解釋提供了依據(jù)。 為了模擬雷達波反射數(shù)據(jù)剖面時，前人從依賴時間的Maxwell旋度方程出發(fā)，利用二階精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接轉(zhuǎn)化為差分形式，推導(dǎo)出正演模擬的時域有限差分方程。為了保證

4、算法的精確性，這里對FDTD方法解的穩(wěn)定性與數(shù)值頻散問題進行了分析。在數(shù)值解穩(wěn)定條件和理想頻散關(guān)系的基礎(chǔ)上設(shè)定時間采樣間隔和空間剖分網(wǎng)格的尺寸，采用Yee氏網(wǎng)格進行網(wǎng)格的剖分，設(shè)置正演模型的空間電磁參數(shù)。為了在有限的研究區(qū)域獲得無限空間的波場模擬，防止雷達波在截斷邊界引起的超強反射，在截斷邊界處引入廖氏吸收邊界條件，并取得了良好的效果。 利用自行開發(fā)的二維GPR正演軟件對一系列典型地下結(jié)構(gòu)的雷達剖面進行了正演合成，得到了較好的模

5、擬效果，驗證了模擬方法的可行性和軟件的正確性。通過對正演合成剖面的分析，指出了不同類型的地下電性結(jié)構(gòu)在GPR反射剖面上表現(xiàn)出的特征和規(guī)律。與實際資料的對比，說明正演模擬揭示的GPR剖面上的特征在實際資料中也是存在的，這就為以后工程實踐中類似結(jié)構(gòu)的GPR探測剖面的解釋提供了依據(jù)。 通過模型試驗發(fā)現(xiàn)，在利用FDTD方法進行GPR正演模擬的過程中，為了得到質(zhì)量較好的GPR正演剖面，重點是合適模型的抽象和合適邊界條件的加入。文中通過設(shè)置