时间域有限差分法(FDTD)对井中雷达的数值模拟

为了进一步认识雷达的探测性能,用数值模拟的方法来研究各种地质条件下雷达的信号反应。时间域的麦克斯韦差分方程可以用一系列的差分方程来表达,这个过程叫做时间域有限差分法(FDTD)。该方法可以有效地计算三维空间中电磁场的时间域信号。引入了可包含局部小网格的技术,计算精度和效率都得到了提高,同时,作为发射和接收的偶极子天线的模拟方法也得到了充分的考虑。计算了充水裂缝和一种矿体的井中雷达信号响应。结果表明,井中雷达可以用于探测地下充水裂缝和矿体。

电磁波场数值计算中时间域有限差分法与时间域伪谱法的对比研究

为提高电磁波场数值计算精度,对时间域有限差分法与时间域伪谱法进行了对比研究。时间域有限差分法是一种目前流行的电磁场时域数值计算方法,已被广泛应用于求解与时间有关的偏导数方程。对于大规模数值计算,时间域有限差分法需要较多的内存空间。时间域伪谱法基于时间域有限差分法,该方法使用快速傅里叶度换来计算麦克斯韦方程中的空间导数。由于傅里叶变换的准确性,时间域伪谱法使计算精度提高,数值计算时所需的格子数大大减少,这极大地节省了计算机内存空间,适合于大规模正反演问题的数值计算。

模拟Bose-Fermi混合气体在绝对零度温度下动力学的一种时间分裂有限差分法

在耦合Gross-Pitaevskii方程组数值解的基础上,我们探讨在绝对零度下Bose-Fermi混合物的动力学规律。为了计算简便,我们首先把最初的耦合Gross-Pitaevskii方程组转化为无量纲形式方程组,然后把无量纲三维形式方程组简化成二维形式再进一步简化为一维形式,并证明了与耦合Gross-Pitaevskii方程组相关的守恒律——模量守恒以及能量守恒。其次,为了探讨Bose-Fermi混合物的动力学规律,我们提出了一种高效的数值方法——时间分裂差分法来求解耦合Gross-Pitaevskii方程组。并证明了该数值方法具有无条件稳定性以及保持耦合Gross-Pitaevskii方程组守恒律等优点。最后利用该方法来数值模拟Bose-Fermi混合物的动力学规律。

道路路基脱空病害雷达波场数值模拟与瞬时属性分析

针对道路路基脱空病害的快速识别,采用时间域有限差分法进行病害的雷达波长数值模拟,模拟了脱空病害不同大小、长度、位置及填充的差异,并通过图像增益和复信号分析技术提取雷达波场的振幅、相位和频率等瞬时属性特征,分析了不同脱空地质的雷达波场响应特征。研究结果表明:根据路基脱空病害的地质雷达瞬时振幅图像和单道波归一化幅值可推算出脱空病害上界面信息和脱空区域介质类型;根据充气脱空病害和充水脱空病害瞬时相位图像特征,可判断出路基结构层间信息和脱空病害区域和边界位置;根据充水脱空病害和充气脱空病害瞬时频率图像,可判断出高频和低频电磁波存在位置。此外,根据充水脱空病害单道波瞬时频率图,可得到正向电磁波存在位置,并作为脱空病害下界面位置判断依据。研究成果可为道路病害的智能识别和快速判识提供理论依据。

FDTD计算功率变换器近场到近/远场的转换

从理论上分析了利用时间有限差分法由近场到近场或远场转换的频域和时域两种方法,并选择时域的方法计算在FDTD计算范围内一给定点的电场值,与直接利用FDTD法得到的结果相比较,两者非常一致;最后利用该方法计算了功率变换器FDTD计算范围外一给定点的电磁场时间响应。

探地雷达在探测玉树走滑断裂带活动性中的初步应用

探地雷达具有快速、检测范围广、探测深度深、分辨率高及对地表环境无破坏等特点,在活动断层探测应用中具有很大的优势。在简要介绍玉树走滑断裂带活动性的基础上,选择高分辨率的探地雷达对隆宝、昔日达和盘琼沟处断裂带附近的活动断层进行探测。采用时间域有限差分法建立活动断层的数值模型对其雷达波响应特征进行模拟,分析断层在探地雷达剖面上的反射波特征。根据断层的反射波特征解译探地雷达图像,判断断层的位置、走向及空间展布。结合探槽开挖对比,探地雷达图像的解译结果与探槽开挖后的断裂带剖面展示的断层活动性质基本一致。根据隆宝、昔日达和盘琼沟处的探地雷达图像与探槽剖面上断层反射波特征的对比研究,解译了玉树地震震中位置探地雷达剖面上的断层展布。研究表明,探地雷达是一种快速探测活动断层的有效方法,尤其是在地表破裂不明显的区域,不仅可以准确地判断断层的位置、走向及空间展布,还可以将断裂带附近地下岩层的层位信息及探槽断面之外的地表下图像清晰地呈现出来,为以后运用探地雷达探测活动断层提供参考。

层状介质中地下瞬变电磁场全空间效应

全空间效应是矿井瞬变电磁方法固有的特殊理论问题之一.建立了3种典型的层状地质模型,采用时域有限差分法求解Maxwell方程,并引入电磁波衰减因子EA(dB),来分析全空间效应的影响特征及影响因素.研究结果表明,地下瞬变电磁法工作装置中,分离回线装置对低阻目标层的探测效果优于重叠回线装置;相对于半空间低阻层瞬变响应,全空间低阻层瞬变响应的时间范围更宽,因而需要更长的观测时间;全空间效应影响因素为顶、底板内低阻层相对电阻率差异大小和目标层深度与厚度,当目标层电阻率大于顶板内低阻层电阻率时,所观测响应主要为低阻层响应,此时将会增大资料解释的难度.此外,研究还显示,瞬变电磁法对低阻层的纵向分辨率与低阻层厚度相关,厚度越小分辨率越高,当厚度较大时,其纵向分辨能力较差.研究成果为实际工作参数选择及资料处理与解释提供了参考.

基于GPRMax的隧道衬砌检测数值模拟及应用

利用基于时间域有限差分法(FDTD)的GPRMax,针对常用的400、900、1500 MHz三种不同中心频率的天线,数值模拟了隧道衬砌不同钢筋网密度、不同钢筋直径及其下方的钢拱架、空气界面等目标体的探地雷达反射及干扰信号图像特征;在混凝土试件上开展实验研究,并运用克希霍夫积分偏移处理了数值模拟和实验数据,压制了钢筋的绕射波和多次波,提高了钢筋网下方弱反射信号的成像效果;通过对比分析数值模拟、实验测量和工程实测结果,为探地雷达在隧道衬砌检测中取得更好的探测效果提供了借鉴。

矿井地质雷达超前探测正演模拟

用时间域有限差分 ( FDTD)法建立矿井地质雷达的模型。采用理想频散关系和超吸收边界条件 ,对几个典型矿井地电模型进行了正演模拟 ,研究了矿井地质雷达超前探测的剖面特征。巷道对各道直达波能量分布及波列形状有明显影响 ;煤岩分界面主要影响反射波能量分布。

大坝面板脱空地质雷达波场数值模拟与瞬时属性分析

针对不同类型大坝面板存在的脱空问题,依据实际面板组成结构与物性参数,采用时间域有限差分法,对无钢筋、单层与双层钢筋面板脱空模型进行雷达波场数值模拟与瞬时属性提取,分析不同脱空情况下雷达波场响应特征。研究结果表明:当面板出现脱空隐患时,脱空区域出现能量较强的反射波,脱空反射波相位与面板底部反射波相位相反,脱空反射同相轴出现明显的"下拉"现象,脱空厚度越大,脱空反射同相轴"下拉"幅度越大;当面板内部存在钢筋时,脱空反射同相轴连续性变差,随着面板内部钢筋层数增加、钢筋间距减小,脱空反射波形态与反射同相轴"下拉"现象逐渐消失;在雷达数据信噪比较低且从雷达剖面图无法识别脱空存在的情况下,需借助瞬时属性来识别脱空隐患。

多频电磁波测井的数值模拟和实验研究

介绍了一种新开发的用于实验目的的多频电磁波测井系统。该系统井下探头为单发双收型,数据采用光纤进行传输,天线采用具有一定带宽的柱型偶极子天线,地面采用计算机控制的网络分析仪进行测量。天线的频率范围大约在40～100 MHz。测得的幅度比和相位差用转换图版转换成直接反映地层物理性质的电导率和介电常数。介电常数主要取决于信号的相位差,而电导率主要取决于信号的幅度比。介电常数的灵敏度范围比较宽,而电导率小于0.001 S/m时电导率的测量变得不敏感。用时间域有限差分法(FDTD)给出各种情况下油水界面时的多频电磁波测井响应,计算结果表明,即使在地层水不导电的情况下,介电常数也可用来区分含油层和含水层。给出该系统在试验井中的实测结果,并和井下电视的图像取得较好的对应。

用于有耗介质FDTD计算的改进的Mur吸收边界条件

从常规Mur吸收边界条件的推导出发 ,引入有耗介质的相应参数 ,使其可应用于截断边界电磁参数不连续和介质为有耗的情形。通过模拟公式计算 ,并与常规Mur吸收边界条件对比 。

沥青混凝土机场跑道面层脱空探地雷达图像模拟及应用研究

查明沥青混凝土机场跑道面层脱空范围和程度,对实施道面维护保养和保障跑道飞行安全十分重要。这里运用基于时间域有限差分法(FDTD)的GPRMax2D,对面层脱空的探地雷达反射剖面特征进行了数值模拟分析。通过对数值模拟数据、探地雷达实测剖面以及钻孔验证结果的对比分析,建立了面层脱空推断解释分类模型,获得了具有合理准确度和高可靠性的推断解释结果,认为探地雷达是一种能用于沥青混凝土机场跑道面层脱空检测的快速、无损、可靠的技术手段。

用ADI-FDTD分析某弹头雷达散射截面

采用无时间约束的时域有限差分法ADI FDTD计算了某弹头的双站雷达散射截面 (RCS)。与传统的FDTD不同 ,ADI FDTD采用交替隐式差分方向的技术 ,使时间步长不再受CFL条件约束 ,可以大幅度降低计算时间 。

钦州湾围滩工程前后潮流场的数值模拟

基于双时间层的有限差分方法(ADI),建立了水深平均二维浅水潮流数学模型,采用逆风格式和追赶法求解二维浅水方程,通过建立钦州湾二维潮流数值模型重现钦州湾的潮位和潮流变化状况。模拟结果与同步进行的岸边潮位及海上潮流的观测值校验结果表明,实测潮位资料与对应时间的计算结果吻合良好,实测潮流与对应时间的计算结果十分接近。模拟计算结果真实地反映钦州湾的潮位变化和潮流运动状况。钦州湾围滩工程实施前后的潮流场数值模拟研究结果表明该工程建设不会对海域水动力学条件产生较大影响。

基于探地雷达的城市道路地下空洞探测研究

地下空洞是道路常见病害之一,为了提高空洞识别的水平,对城市地铁沿线道路下方不同充填介质的空洞进行探地雷达反射波响应特征的研究,假设空洞形状为矩形,以探地雷达理论为基础,运用时间域有限差分法进行波场的数值模拟,并与现场实测结果进行对比,结果表明:探地雷达可以探测到矩形空洞的存在,并能准确识别出充水空洞,但并不能通过反射波中双曲线的弧长来判定空洞的水平范围。应用效果表明探地雷达可有效应用于城市地铁沿线道路空洞的探测。

防城港码头工程前后潮流场的数值模拟

基于双时间层的有限差分方法(ADI),建立了水深平均二维浅水潮流数学模型,采用逆风格式和追赶法求解二维浅水方程,在对模型进行潮位验证和潮流验证的基础上,对防城港码头工程实施前后的潮流场进行了数值模拟研究。研究表明:该工程建设不会减少湾内纳潮量,不会对海域水动力学条件产生较大影响,只会对码头附近产生较小影响。

跨音速叶栅流场的数值模拟

论述了时间相关有限差分法在跨音速叶栅流动计算中的应用,并以具有代表性的跨音速压气机叶栅流场的计算和图样的制取为例,附以程序编制及其流程图,详细地讲解了计算程序的具体操作。由比较可以看出此方法较以前的时间推进法要快得多。可以预期,随着该方法的不断完善,得到更为精确的结果是完全有可能的。

基于FDTD管线渗漏异常GPR数据的电场分量成像研究

基于渗漏异常区的特点，提出一种管线渗漏异常GPR数据的电场分量成像技术，用以解决地下介质分布复杂情况下的渗漏异常区的准确识别．由于异常区含水量高，因此采用时间域有限差分法（FDTD）模拟不同介电参数的地质模型在GPR中的电磁波响应，通过正演模拟，反应介电常数差异与反射波能量成正比，差异越大，反射波能量越强．将此成像技术应用在实地管道渗漏探测中，试验结果表明：成像技术成效显著，管道渗漏异常在分量图谱中识别率高．