基于混合adi-fdtd亚网格技术的gpr高效正演暨水利工程中的应用研究

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1、万方数据中图分类号UDC学校代码!鱼533博士学位论文基于混合ADI—FDTD亚网格技术的GPR高效正演暨水利工程中的应用研究AhybridADI—FDTDsub一蓼iddingschemefore贩cientGPRsimulationandstudyapplicationinhydraulicengineering作者姓名：学科专业：吴奇地球探测与信息技术学院(系、所)：地球科学与信息物理学院指导教师：论文答辩日期汤井田教授答辩委员会主席边塾!墨监中南大学2014年3月辫心一沙～万方数据学位论文原创

2、性声明舢舢㈣㈣㈣㈣㈣Y2686257本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。作者签名：整日期芝年山二日学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论文的规

3、定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适应本声明。作者签名：凉考日期：业争L月旦日导师签名互』圣堑皇万方数据基于混合ADI—FDTD亚网格技术的GPR高效正演暨水利工程中的应用研究摘要：探地雷达是利用高频电磁波在地下介质中的反射、绕射等传播特性来探测地下结构和特性的重要浅层地球物理方法，已广泛的应用在工程勘察与无损

4、检测的众多领域，表现出强劲的生命力和广阔的应用前景。目前，GPR资料解译仍主要依靠人工判断与经验解译，以定性为主，易产生虚警及误解释，与GPR工程勘探的高精度和高分辨率客观要求相比，仍存在不少差距。因此，开展雷达波的正演模拟研究，使得一些复杂地质现象能够计算出正演雷达图谱，进而能够了解复杂地质体的雷达图像回波特征，对提高数据解译水平仍具有重要意义。此外，GPR正演也是反演的核心引擎，正演速度的快慢决定了反演算法的效率，它与反演相得益彰，互相促进。因此，深入开展高效、高精度正演算法的研究，有助于反演技术

5、的提升。本文开展了FDTD、ADI．FDTD、混合ADI—FDTD亚网格技术的GPR正演算法研究；并在作者多年从事水利工程GPR应用的基础上，改进了GPR水上作业技术、总结了水库淤积探测的一些重要技术措施和创新，可为GPR技术在水利工程中的应用推广提供科学依据。该研究是在深圳水务专项资金(深水务【2011】200)的资助下进行的，主要开展了以下工作：(1)基于MaXweU方程组，结合媒质的本构关系及Yee氏网格，导出了二、三维FDTD法频散与非频散介质雷达波正演的差分方程、cFL数值稳定性条件和数值频

6、散关系表达式，为应用FDTD算法开展高精度GPR正演计算打下理论基础。(2)阐述了二阶近似的Mur边界条件、uPML、CFs—PML边界条件的原理，开展了UPML与CFS—PML边界的差分公式推导及参数设置讨论。应用均匀介质中GPR波场传播快照，对比了大区域无截断、截断处没有加载边界条件、加载3种不同边界条件5种情况下的边界处反射波的强弱，试图说明UP池、CFS—PML边界条件的吸收效果。为了进一步对比UI，ML与CFS—PML吸收效果，设置了双层介质狭长模型，试图通过波场快照与全局反射误差来证明CF

7、s．PML对隐失波、低频波、掠角波的吸收效果。(3)基于Matlab平台与c++语言编制了GPR二维、三维FDTD正演程序，应用具有解析解的三层模型验证了程序的正确性及算法的有效性；然后，将该程序应用于介电常数、电导率与雷达波传播特性之问，异常体埋深、雷达频率与雷达分辨率之间的关系分析中，开展了有效的实例验证。II万方数据(41设计了1个复杂二维GPR地电模型、1个含有3个异常体的典型三维雷达地电模型，应用二、三维FDTD雷达模拟程序进行了正演计算，得到了二维雷达剖面图及波场快照、三维剖视图与切片图，

8、系统地反映了异常体的回波特征，加深了对雷达反射剖面的认识，有助于了解雷达波在空间的传播特性。(5)总结了ADI—FDTD算法的特点：它将FDTD算法中一个时间步迭代过程在ADI．FDTD算法中被两个子时间步的迭代所取代，两个子时间步分别交替取隐式与显式。开展了二维TM波的ADI．FDTD算法的稳定性证明与数值色散关系分析，试图证明ADI—FDTD具有无条件稳定的特点，可选取较大的时间步长；推导了二、三维GPR正演的ADI．FDTD的差分迭代计算公式。(6