基于Delaunay三角形的非结构化有限元GPR正演

介绍传统Bowyer-Watson三角网逐点插入法的原理与实现步骤,并将固定边界限制、Laplacian光顺、边压缩、边分裂、点插入等拓扑变换技术应用于网格剖分的优化;为了使数值解的误差在全域内接近于均匀分布,通过间隔函数法实现点源、线源等网格渐变控制,结合局部粗化或细化技术,建立高质量Delaunay三角形网格,实现自适应网格剖分。通过1个起伏地表与断层模型网格剖分实例验证非结构化网格对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的地电模型的适应性。根据GPR有限元波动方程,应用三角形剖分、线性插值的Galerkin有限单元法进行求解。建立1个复杂GPR地电模型,利用Delaunay三角形对该GPR地电模型进行自适应网格剖分。研究结果表明:非结构化网格对于物性参数分布复杂或几何特征不规则的地电模型都具有良好的适应性;非结构化三角形网格剖分质量好,单元密度易控制,易于实现自适应有限元,能提高复杂模型正演精度。     

频散介质中探地雷达有限元法正演模拟

为了更准确地认识探地雷达(GPR)波在频散介质中的传播规律,从Maxwell方程组出发,在频散介质相对介电常数与频率满足Debye关系的条件下,经傅里叶变换,导出时间域GPR波电场和磁场的波动方程。对GPR波的电场波动方程采用伽辽金有限元法,推导频散介质中探地雷达二维有限元方程,采用透射吸收边界有效减弱截断边界的超强反射波,使得截断边界处的反射波充分吸收。利用依上述方法原理编制的程序分别对均匀模型和两圆状模型进行正演计算,验证该算法的正确性和可行性。研究结果表明:均匀频散介质中GPR子波的衰减比在非频散介质中的衰减要快得多,且GPR子波的宽度随着接收器与发射源距离的增加而变大;频散介质中异常体的反射波宽度比非频散介质中的反射波宽度大。     

探地雷达的正演模拟及有限差分波动方程偏移处理

利用麦克斯韦方程和有限差分法, 推导出雷达波的二维有限差分正演方程组, 并运用该正演方程对＂V＂字形地电模型和同一斜面上的5个圆的地电模型进行正演合成, 得到其相应的正演合成剖面;把该正演合成的剖面与实际模型相比, 得出正演合成图与实际模型的示意图在形状上有一定的差别, 这是剖面中异常点处的绕射波所致;为了提高雷达资料的解释精度, 对正演合成的雷达剖面进行后处理, 运用雷达上行波反向外推有限差分偏移法, 对2个正演合成的雷达剖面进行偏移处理, 通过对比偏移处理前后的雷达正演剖面, 采用有限差分偏移法能使雷达正演剖面中的反射波归位, 绕射波收敛, 从而大大提高了雷达正演剖面的分辨率, 有利于探地雷达剖面的地质解释和验证偏移方法的有效性.     

基于复频移完全匹配层的辛龙格库塔算法探地雷达正演

为了消除探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演模拟的截断边界处的非物理反射,需要对模拟区域边界进行特殊处理.目前应用效果较好的边界处理方法为加载完全匹配层吸收边界条件.而复频移完全匹配层(complex frequency shift perfectly matched layer,C...     

探地雷达探测岩溶灾害的研究

为了寻求解决煤矿水害事故的办法,以电磁场和电磁波传播理论为基础,首先研究了电磁场的时域有限差分法计算方法,推导出了二维的时域有限差分方程和网格空间步长、时间步长所满足的关系式,得出了在完全匹配层吸收层的网格差分格式。然后建立了探地雷达二维正演模型,数值求解合成了雷达记录剖面。在雷达剖面图中可以清晰看到异常体的反射曲线,直观地了解岩溶雷达反射剖面特征,有利于在实际探测中提高解释精度。     

CFS-PML在探地雷达FDTD法模拟中应用

探地雷达(GPR)数值模拟中,为了使截断边界处不产生人为的反射波,需要加载边界条件.目前常用的完全匹配层(PML)边界对隐失波、低频波、掠角波等不能很好地吸收.为此,在时域有限差分(FDTD)法中引入复频移卷积完全匹配层(CFS-PML).从二维TM波的Maxwell方程组出发,阐述了CFS-PML边界条件的原理,推导了CFS-PML边界加载的离散差分公式,给出了CFS-PML边界条件的参数选取原则.应用均匀介质中GPR波场快照,对比了截断处没有加载边界条件、加载3种不同边界条件的边界处反射波的强弱,实例说明单轴各向异性完全匹配层(UPML)、CFS-PML边界条件具有较好的吸收效果.为了进一步对比UPML与CFS-PML的吸收效果,设置了双层介质狭长模型,通过波场快照与全局反射误差证明了CFS-PML对隐失波、低频波、掠角波的吸收较UPML效果更佳.     

基于小波多分辨探地雷达三维正演模拟及偏移处理

通过对Maxwell方程进行离散化,导出DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式,并开发探地雷达MRTD法正演程序,利用该程序对三维雷达模型进行正演模拟,得到其相应的正演合成三维剖视图及切片图;通过对这些模拟结果进行分析,验证MRTD法在探地雷达三维正演中的有效性;利用爆炸反射原理和浮动坐标变换,推导出三维探地雷达波动方程差分格式,并把波场外推矩阵在小波域进行求解,进而得到探地雷达小波域三维偏移算法及偏移处理程序,把该程序应用于正演结果中。对比偏移处理前、后的雷达资料发现,该三维偏移算法能使3D正演剖面中的反射波归位、绕射波收敛,极大地提高了雷达剖面的分辨率。     

基于归一化互相关成像条件的GPR逆时偏移成像

针对基于零时刻成像条件的探地雷达(GPR)逆时偏移精度低、难以对复杂结构进行高精度成像的缺点,将归一化互相关成像条件应用于GPR叠前逆时偏移成像。从二维GPR电磁波方程出发,采用基于完全匹配层(PML)边界条件的时域有限单元法(FETD)模拟电磁波正向和逆向传播,采用归一化互相关成像条件获取叠前逆时偏移的偏移结果,将空间高通滤波用于压制互相关过程中产生的低频噪声,然后编制相应的GPR叠前逆时偏移程序。在此基础上,建立2个复杂的GPR模型,利用基于归一化互相关成像条件的GPR逆时偏移程序进行计算,并与基于零时刻成像条件的GPR逆时偏移剖面进行对比。研究结果表明:与基于零时刻成像条件的GPR逆时偏移剖面相比,基于归一化互相关成像条件的GPR叠前逆时偏移剖面能更清晰地反映异常体空间形态和内部结构信息,其分辨率和成像精度更高。     

基于局部加密等级网格的2.5D直流电法有限元模拟

合理截取半圆形计算区域,采取局部加密的?-等级网格,结合对称行索引存贮格式(CSR)及并行稀疏直接求解器PARDISO,提出一种高效、高精度的2.5D直流电阻率法有限元正演方案,并编制相应的Fortran程序,对具有解析解的3个典型地电模型进行计算与分析。研究结果表明:圆形截断边界不仅便于在径向方向上采取?-等级网格剖分,而且能大大简化有限元模拟中单元刚度矩阵的计算;结构化的等级网格避开了通常非结构化网格有限元计算时繁琐的网格剖分及总体刚度阵的集成过程,且能在不增大问题规模的前提下,显著提高2.5D直流电法正演源点附近的模拟精度;Intel MKL的PARDISO求解器能在普通PC机上5 s内求解电法正演有限元离散得到的100万阶稀疏线性方程组,可广泛用于各种地球物理正演问题。     

隧道反射波超前探测有限差分正演模拟与偏移处理

针对地下工程领域隧道不良地质灾害超前探测问题,构建断层、倾斜软弱夹层等地质灾害体的隧道介质模型,研究隧道反射波超前探测的波场传播机理与偏移成像问题。利用一阶速度-应力弹性波方程和高阶交错网格差分计算方法,导出隧道工程反射波探测数值模拟的差分计算格式、数值稳定性条件以及边界条件,对上述模型进行正演模拟,得到相应模型不同时刻的波场快照与地震合成记录;通过对这些模拟结果进行分析,验证高阶交错网格差分法在隧道波场正演中的有效性。在导出弹性波方程逆时延拓交错网格差分计算格式基础上,通过求解程函数方程,获取激发时间成像条件,进而得到隧道全波场逆时偏移算法及偏移处理程序,并应用于隧道波场偏移成像中。研究结果表明:采用高阶交错网格有限差分逆时偏移算法能使反射波归位,绕射波收敛,从而大大提高了隧道工程反射波探测的分辨率,为隧道超前探测资料的解释提供理论依据。     

隧道人工冻土帷幕边界雷达探测试验分析

在分析冻结法施工过程中冻土帷幕边界的传统判定方法优缺点，以及比较冻结土体与天然土体电性差异的基础上，结合上海复兴东路隧道联络通道的施工，开展了采用探地雷达方法对人工冻土帷幕边界进行判定的试验．通过正演模型试验了解了冻土边界的雷达反射波波形、振幅及相位特征；对实测雷达剖面进行非线性滤波处理，以消除隧道内的电磁干扰，并通过追踪同相轴判定冻土边界．雷达剖面解释结果与由测温孔监测资料推算出的温度场分布所反映的冻土边界能够较好地吻合，可以弥补测温法中测温孔数量少、元件损伤而导致数据丢失的缺陷．     

多层介质中路面雷达电磁波传播数值模拟

针对高效、快速、连续、无损的路面雷达应用技术存在的问题，研究了路面雷达电磁波在多层介质中的传播规律，基于电磁波理论的基本原理，从Maxwell方程着手，建立了雷达电磁波在路面结构体系中的传播模型，该模型考虑了介质介电常数虚部的贡献，理论上更加严谨，并更接近于道路工程实际，应用该模型，模拟合成了多层路面结构体系中雷达电磁波的反射信号，将其与实测信号对比，验证了所建立模拟方法的正确性和适用性。     

各向异性介质覆盖导体柱电磁散射特性的FEM/BEM分析

应用有限元-边界元耦合法计算任意截面形状二维各向异性介质覆盖导体柱的雷达散射截面,对介质柱内、外区域分别应用有限元和边界元法进行分析,然后通过场的连续性进行耦合,形成待求矩阵方程,最后应用内观法结合多波前法求解该方程.作为算例,分别计算了无限长各向同性介质覆盖导体方柱和圆柱在平面电磁波照射下的雷达散射截面,结果与有关文献一致,在此基础上计算了各向异性介质覆盖导体方柱和圆柱的雷达散射截面.     

介质覆盖导体柱散射特性分析

应用有限元-边界元耦合法计算任意截面形状二维介质覆盖导体柱的雷达散射截面，对介质柱内、外区域分别应用有限元和边界元法进行分析，然后通过场的连续性进行耦合，形成待求矩阵方程，最后应用内观法结合多波前法求解该方程．作为算例，分别计算了无限长介质覆盖导体方柱和圆柱在平面电磁波照射下的雷达散射截面，结果与有关文献一致，在此基础上计算了两层介质覆盖导体方柱和圆柱的雷达散射截面．结果表明，由于使用了内观法结合多波前法求解非对称稀疏矩阵，大大减少了计算时间．     

基于雷达信号特征点提取的结构物埋深估算方法

为了克服经验法推算结构物埋深的缺陷,基于检测对象的雷达反射波形特征,通过提取反射波形上的少量特征点,提出一种估算结构物埋深的新方法,并考虑实际检测中结构物反射波形的畸变,对估算精度进行分析评价.结果表明:对于理想的无畸变检测数据,该方法对结构物埋深、水平位置及电磁波速的估算结果较为精确;当反射波形存在畸变时,该方法对埋深的直接估算结果误差较大,平均误差达到55.202％,但对于电磁波速的估算结果较为精确;对于实测的有畸变检测数据,可通过电磁波速估算结果及测得的目标体双程旅时对埋深进行间接估算,估算精度满足雷达法检测对埋深估算的要求.相比经验法,该方法在估算精度、误差控制方面具有显著优势.     

矩形网格抛物型问题的质量集中有限元方法

就一类典型的抛物型问题——热传导方程,研究矩形网格上质量集中有限元方法的有关性质.首先给出了矩形单元上双线性有限元基函数的积分公式,在此基础上讨论质量集中有限元方法的误差估计.研究表明,矩形网格上的质量集中有限元方法具有与普通的有限元方法同等的逼近精度,但却具有更少的计算量,并且在一定条件下可以保持极值性质.最后给出了在矩形网格上质量集中有限元方法保持极值性质的剖分条件.     

弹性力学中三种有限体积法方案的对比

为了研究弹性力学中三种典型的有限体积法方案(FVM1,FVM2和FVM3)的精度差异问题,采用理论推导和算例验证的方法,建立了基于有限体积法原理的力平衡积分方程,利用三角形网格进行离散化,在计算出内部单元和边界单元对力平衡贡献的基础上,对每一种有限体积法方案确立了与有限单元法方案(FEM)刚度方程组相类似的线性方程组,对比所建立的各个方程组的待定系数.结果表明:方案FVM2与FEM精度相同,即为最优方案;在不考虑集中力的情况下,方案FVM3的精度也与FEM相同.最后以一个数值算例,对这三种有限体积法方案进行了对比分析,验证了上述分析.该结果对工程计算数值模拟具有一定的参考价值和指导意义.     

基于三角形网格的无量纲最小二乘有限元法及其应用

利用最小二乘有限元法计算二维流体场需要采用四边形网格，而仅采用四边形单元剖分含有角环、圆角和尖角等复杂结构的电力装备二维仿真模型时往往出现网格畸变。为此，本文提出了一种基于三角形网格实现最小二乘有限元的方法，即在三角形剖分网格上再处理得到四边形网格，从而实现最小二乘有限元法计算流体场。为验证所提方法的有效性，论文分别对方腔模型和带有角环等复杂结构的变压器单分区模型进行了数值计算，并分别与规则四边形网格下的最小二乘有限元法和Fluent计算结果进行对比。对比结果表明本文所提出的网格处理方法可以实现含有复杂结构电力装备的二维流体场仿真。     

探地雷达在地下顶管脱空检测中的应用效果分析

为了对顶管周围的脱空和密实情况进行探测,结合工程实例,采用探地雷达对水泥顶管和钢制顶管开展实践探测工作和试验性探测研究;同时,从理论上建立了水泥顶管和钢管顶管的脱空模型,开展探地雷达二维有限单元法正演模拟。研究结果表明:探地雷达对水泥顶管周围的脱空情况进行探测时,能取得很好的效果;探地雷达对钢制顶管周围的脱空情况进行探测时,由于雷达天线与管壁之间的多次反射信号强烈,对脱空的探测效果很差。因此,探地雷达对于水泥制的顶管脱空检测是可行的,而对于钢制顶管的脱空检测需要研究新的无损检测方法、研制新的设备,以便取得好的应用效果。