灰岩隧洞围岩结构面空间位置及填充物FDTD正演

地质雷达(GPR)法是以电磁波在岩土体介质中的反射和衰减,通过电磁波回波信号反映灰岩隧洞中岩体结构面空间位置及其填充物。建立单条裂隙、双条裂隙和交叉裂隙及其空间位置的二维地电模型,设置结构面中的填充物为空气、泥土、水;以FDTD法正演模拟并对比分析其图像特征。结论如下:填充物对结构面的判据具有较大影响,水对电磁波的强烈吸收作用导致图像成像特征复杂,多次反射波规律性较强;结构性的探测取决于介质介电常数的差异,且近掌子面的结构面对电磁波的反射和吸收形成多次波干扰深部结构面的成像。FDTD正演结果对地质预报的判断提供科学依据和指导作用。

基于FDTD的月壤分层雷达探测正演模拟

"嫦娥三号"巡视器上搭载的测月雷达通过500MHz频率的天线,对巡视路线上的月壳浅层结构进行剖面式观测,能探测到月球地底下30m深土壤层的结构。为了更好地分析测月雷达的探测结果,文中对月壤分层进行正演模拟,月岩层的介电常数采用与"嫦娥三号"登月点位置最近的Apollo 15的电性参数近似代替,月壤的介电常数是一个和密度相关的值且随深度的变化而变化。根据以上参数建立模型,基于时域有限差分(FDTD)原理,利用GprMax对月壤分层结构进行模拟,建立的模型包括月表介电常数随深度变化二层模型和月岩层存在下界面三层模型,并对其波形特征进行分析,找到月壤层次划分的一般规律,对"嫦娥三号"测月雷达数据的分析提供理论依据。

瞬变电磁Crank-Nicolson FDTD三维正演

时域有限差分(FDTD)方法使用Yee网格剖分电磁场的空间采样,通过时间步迭代实现电磁场数值模拟,具有内存消耗低、计算简单等特点,常用于瞬变电磁三维正演.然而,常规FDTD方法的时间迭代步长Δt受Courant-Friedrich-Lewy(CFL)条件严格限制,过多的迭代次数以及过密的采样往往导致计算速度慢、累积误差不断增大.本文提出一种不受CFL条件约束的无条件稳定隐式差分算法Crank-Nicolson FDTD(CN-FDTD)用于瞬变电磁三维正演.基于Crank-Nicolson差分方法对Maxwell方程组重新离散,空间网格仍然采用Yee元胞,时间步进采用在整时间步电场、磁场同时采样的策略,建立无条件稳定FDTD格式,突破CFL条件限制.与常规FDTD交替采样相比,CN-FDTD电场、磁场同时采样的策略构成的隐式差分格式,需要求解大型稀疏矩阵方程组.通常,瞬变电磁三维正演模型中产生的矩阵阶数往往较大,需要占用大量内存和求解时间.为解决上述问题,采用Crank-Nicolson-cycle-sweep-uniform(CNCSU-FDTD)方法近似求解CN-FDTD方程,在保证求解精度的同时,计算效率大幅提高.在边界条件处理上,采用双线性变换推导了复频率参数完全匹配层(CFS-PML)吸收边界.采用均匀半空间模型、四类三层模型进行精度验证,发现CN-FDTD三维正演结果与解析解、线性数字滤波解吻合较好.之后,与接触带上的低阻复杂模型进行对比,结果显示CN-FDTD正演结果与矢量有限元、有限体积法以及FDTD计算结果吻合较好.在此基础上,研究了时间步放大对CN-FDTD计算精度的影响,发现最大时间步放大到常规FDTD的3200倍时才会在晚期出现较明显的误差.在一台CPU为Intel Core i5-7300HQ的笔记本电脑单线程计算条件下,模拟到关断后30 ms仅需要50 min.在进行并行化后,将有望实现复杂模型分钟级的三维正演,从而为三维反演提供可靠、快速的正演方法.

隧道衬砌内部空洞探测的FDTD正演模拟与试验研究

针对隧道衬砌内部空洞缺陷,基于时域有限差分(FDTD)法,对探地雷达电磁波在空洞缺陷衬砌内的传播过程进行正演模拟,分析空洞横向直径变化对电磁波反射响应特征影响,进而设计两类不同尺寸的空洞模型,测试探地雷达在规则空洞的反射响应特征。结果表明:随着空洞横向直径的增大,正演合成图显示的空洞反射响应特征表现为由双曲线逐步向矩形变化,探地雷达实测规则空洞的反射响应特征为双曲线,与正演模拟结果一致,为识别雷达图谱提供有效的支持,提高后续解译的可靠性,为地质雷达探测隧道衬砌内部空洞缺陷的结果提供可靠的解释依据。

基于超宽带源的FDTD正演模拟及偏移处理

本文推导了以CPML作为吸收边界条件的FDTD迭代公式,并以超宽带雷克子波作为发射源,模拟得到了二维正演剖面;采用相位移偏移方法对正演剖面进行了处理,提高了正演剖面的分辨率。正演模拟与偏移处理的结合,为今后利用超宽带探地雷达进行地下目标探测及识别打下了良好的理论基础。

黄土地基不良地质界面瞬态地质雷达波形FDTD正演分析

黄土地层容易受到侵蚀形成缺陷,基于地质雷达方法,可有效探测出黄土地层中不良地质体的形态及分布。本文以解析方法研究并推导了地质雷达波在黄土界面的反射波幅、折射波幅及电磁场强度;通过时域有限差分方法对几种特殊地电模型进行数值模拟,研究地质雷达波在不良地质体界面的入射波、反射波的波幅及其分布形态。结果表明:黄土地层中不良地质体的相对介电常数直接影响地质雷达反射波幅,当地层中含水量增加时,地质雷达反射波幅增大、折射波幅减小;特殊地层中,地质雷达波在黄土-空气界面的反射强度为0,透射强度为1,在黄土-金属界面的反射强度为1,透射强度为0。

混凝土内裂隙空间位置及填充物FDTD正演分析

地质雷达(GPR)常用于混凝土内部裂隙的检测。本文利用GprMax 2D和Matlab软件对混凝土内部裂隙进行时域有限元差分(FDTD)法正演模拟,分别针对不同类型、不同尺寸和内部不同填充物的裂隙进行模拟,分析对比图像变化特征。结果表明:不同类型的混凝土内部裂隙对电磁波的传播影响不同,从而造成对图像的影响范围不同;裂隙内部不同的填充物对电磁波的传播影响较大,其中水对电磁波有较强的吸收作用,使得电磁波反射增强,造成多次波的影响较深,图像特征较为复杂。通过正演模拟可以为地质雷达实际探测结果的判读提供一定科学依据和指导。

基于FDTD的粗糙地面宽带前向电磁散射研究

采用指数型分布粗糙面模拟实际的粗糙地面,运用FDTD方法研究了超宽带高斯脉冲电磁波入射粗糙地面时的宽带前向电磁散射问题;通过数值计算得到前向散射系数随频率的变化曲线,并与时谐场源激励下的结果进行了对比;分析了不同的粗糙地面高度起伏相关长度、均方根高度,土壤湿度和入射角下前向散射系数随频率的变化关系,得到了指数型分布粗糙地面的宽带前向电磁散射特性。数值计算结果表明各参数的变化对前向电磁散射系数的影响比较明显,入射波不同极化方式下的前向散射系数也有显著变化。

基于FDTD的空间步进频雷达煤层异质区探测正演分析

针对传统井下单发单收探测雷达存在的探测分辨率低、获取数据信息量少的问题,提出将多输入多输出体制下的空间步进频雷达用于井下探测。采用时域有限差分的方法,通过设置发射天线将空间步进频信号引入计算空间,结合采空区、富水区、薄泥岩层三种异质区模型,利用时间迭代的方式求解信号在模型空间的正演结果。仿真结果表明,采空区与薄泥岩层均表现为二次反射,但采空区的回波更强,富水区仅表现为一次反射,信号在富水区的衰减最为迅速,泥岩次之,采空区的衰减最小。该研究对后续空间步进频雷达用于井下实际探测提供了一定的参考。

基于FDTD的探地雷达正演模拟分析

根据时域有限差分(FDTD)算法和完全匹配层(PML)吸收边界条件,建立典型混凝土钢筋网物理模拟构件模型,使用探地雷达(GPR)专用gprMax模拟软件并结合Matlab处理,获得正演模拟波形图。中心频率为500MHz和900MHz的正演模拟中,针对同一构件,通过波场特征分析,正演模拟结果能准确反映出探测目标体的埋深、间距、水平位置等空间分布特征,增加了雷达图像解释的合理性,提高了发现钢筋混凝土中隐蔽病害的可能性,也为下一步开进行反演模拟提供基础。

YOLOv7在探地雷达B-Scan图像解译中的应用

探地雷达技术已被广泛应用于隧道衬砌病害检测方面,针对探地雷达B-Scan图像解译,近年来涌现出了许多深度学习算法,但YOLOv7算法在该领域尚未被应用。本文首先通过FDTD正演模拟了隧道衬砌的空洞和渗漏水病害,并实地采集隧道内12条测线数据分析其病害分布情况,以此构成隧道衬砌病害数据集;然后基于YOLOv7算法,利用两类病害的不同图像特征,实现对隧道衬砌病害的自动解译。研究结果表明,利用YOLOv7目标检测算法,对整体病害的识别准确率、召回率分别达到97.87%、90.61%。当IoU取0.5时,对空洞病害和渗漏水病害的识别准确率分别为97.2%和96.4%;最后随机选取100张图像进行测试,测试结果的准确率达94%。最终的试验识别结果能很好地应用在生产项目中。

探地雷达在煤层异常体探测中的应用

为强化煤层异常体的探测识别,文章利用时域有限差分法(FDTD)建立了煤层二维空间磁场(TM)模型,通过正演模拟计算和理论分析,研究了电磁波在煤层中的传播规律。研究结果表明:不同形状和不同填充介质的煤层异常体正演模拟结果虽都表现为双曲线,但双曲线之间存在明显差异,这些差异可作为识别煤层异常体形状和填充介质的条件;煤层异常体的埋深和垂直距离可通过双曲线顶点的双程旅行时间来获得,但断层破碎带和陷落柱异常体的底部反射不明显,无法准确获得其垂直距离。研究结果可为实际煤层探测数据和信息提取提供参考依据。

地下金属与非金属管道正演模拟与应用研究

目前,应用管线探测仪进行地下金属材质管道的探测效果较好,但在非金属材质管道探测上往往“失效”。探地雷达(GPR)利用金属管道、非金属管道和土体之间存在明显的电性差异为前提进行无损探测,达到快速、准确定位管道位置和区分管道材质的效果。为进一步了解GPR剖面的管道特征图谱,依托GprMax和Matlab软件平台,通过时域有限差分方法对地下不同材质、不同埋深和不同填充物的管道进行正演模拟,获得不同参数下的管道信号波组形态、能量特征和相位特征,为实际管道探测的客观判定和科学解译提供理论基础。经工程实践证明采用多参数特征来综合判定管道属性的可行性和有效性。

隧道衬砌空洞探地雷达图谱正演模拟研究

探地雷达作为一种高效、先进的无损检测设备,能够对隧道衬砌实施连续扫描,实时获得雷达图谱。然而,由于探地雷达在我国的应用时间还非常短暂以及雷达图谱的复杂性,隧道衬砌空洞探地雷达图谱的辨识还存在一定的问题。据此,通过不同环境的试验得到空洞雷达图谱特征,并利用二维时域有限差分法对衬砌空洞雷达图谱进行正演模拟。采用VC++语言编写探地雷达正演模拟程序,对隧道衬砌检测中常见的几种空洞模型进行正演模拟,得出模拟波形和图谱,并与实测隧道衬砌空洞的探地雷达波形和图谱进行对比。结果表明,模拟图谱与实测结果相似,具有较明显的空洞特征。良好的结果也验证了二维时域有限差分法(2D-FDTD)正演模拟的可行性。

基于GPR的地下管线图谱特征的正演研究

基于探地雷达工作原理与二维FDTD正演模型,研究了在不同天线频率与天线间距的雷达测试参数下的管线雷达图像特征,分析了管线材质、管径、埋深和埋地介质等因素对管道雷达图像中双曲线特征的影响规律,对比了管线与不同几何形状空洞地质体的雷达图像差异。通过图谱规律的分析与研究,总结了复杂条件下探地雷达检测地下管线的图像识别规律,明确了实测探地雷达图像判识过程中目标图谱的典型特征。对提高地下管线雷达图像解释的合理性具有积极的促进作用,也为进一步开展探地雷达图像的反演研究奠定了基础。

隧道衬砌病害地质雷达探测正演模拟与应用

国内大多数隧道都存在着不同程度的病害,其中诸如衬砌开裂、不密实、含有空洞和渗漏水等衬砌病害是隧道最常见的病害类型,严重影响行车安全。地质雷达(GPR)可以用来对隧道衬砌病害进行快速无损探测,但对于衬砌病害的解译十分依赖于探测人员的经验,很容易造成误判和漏判。因此,对隧道衬砌病害进行分类,并针对典型衬砌病害类型进行建模,利用时域有限差分(FDTD)法对衬砌病害模型进行地质雷达探测正演模拟,针对衬砌渗漏水和存在钢筋干扰等特殊情况,通过频谱分析对病害进行了定量识别,总结出典型衬砌病害的地质雷达探测解释准则,最后结合工程实例对衬砌病害进行了推断和解译。结果验证了衬砌病害地质雷达探测正演模拟和解释准则的可靠性。

路面雷达电磁波的时域有限差分法模拟

介绍了路面雷达电磁波在路面结构中传播的基本原理,结合时域有限差分法算法,分别分析一维FDTD方程、软激励源、分层介面的有效参数、吸收边界条件在应用实现模拟过程中的重要影响,并建立了空气耦合式路面雷达的正演模型.理论模拟和实际工程数值算例表明:该模型对路面雷达正演模拟是可行的,误差不超过2%.

基于GPRSIM的水下砂层探地雷达正演

基于水和岩土介质的介电常数差异,应用GPRSIM软件研究在不同水深条件下二层介质的雷达响应特征。一般情况下,雷达天线频率为50 MHz时,勘探深度可达到10 m左右。根据南京长江二桥桥址区的地质资料,建立含有水、淤泥质粉质黏土、粉细砂、砂砾卵石以及砾岩的水下砂体模型,并应用GPRSIM软件对该模型进行正演研究。研究结果表明,天线频率为50 MHz、水深不超过4 m时,雷达影像能够较好地反映出水下各岩层的赋存状态,特别是能够圈定出水下砂层的厚度和分布范围,这为实际水下砂体的勘探提供了重要的理论依据。

时域瞬变电磁法三维有限差分正演技术研究

瞬变电磁法应用广泛,三维数值模拟是研究复杂地质模型异常响应规律的重要技术手段之一,也是反演的基础.目前瞬变电磁数值模拟的不足主要有两个方面:第一,场源是在地表水平、浅层介质均匀的条件下计算的,限制了应用范围;第二,地下边界采用Dirichlet边界条件,导致计算空间很大,耗时较长.针对上述问题,在三维正演时,场源采用有限长细导线模型,在Maxwell有源差分方程中直接加入电流密度进行计算.在地表面加入空气层,避免了复杂的向上延拓计算,也可以对地形影响下的响应规律进行分析.在空气边界和地下边界均采用CPML吸收边界条件,并改进了CPML的参数分布,能够吸收空气介质和大地介质中的低频电磁波而反射误差极小,在满足计算精度的条件下可以有效减小节点数量.对循环迭代方法进行优化,将计算域、CPML区域和场源的空间循环统一转化为矩阵方式,加快了计算速度,但是空间消耗增大了约4~5倍.采用三维有限差分正演算法对均匀半空间模型、层状模型和地形模型进行了计算,并与解析解进行了对比验证.

基于地质雷达的隧道综合超前预报技术

以地质雷达为超前预报的主要手段,结合TGP206地震反射波法和工程地质调查法,针对某特长隧道开展综合超前地质预报。通过时域有限差分(FDTD)法,得到了掌子面前方典型不良地质体正演模拟合成图,以此作为地质雷达实际探测图像解译的基础;采用TGP206超前地质预报系统对掌子面前方100 m范围内进行长距离预报,在接近不良地质体时,用地质雷达对掌子面前方20~30 m范围进行更精确的短距离预报;将该法应用于实际工程断层破碎带和富水带的预报中,预报结果较为准确,有效指导了隧道的安全施工,该综合超前地质预报方法可为同类工程提供借鉴。