非均匀介质电磁建模方法与探地雷达信号分析

作     者：戴定武 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔杰

授予年度：2024年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：探地雷达 离散元法 组分融合算法 时域有限差分算法 沥青混合料 

摘      要：浅地表介质往往具有明显的非均匀性,这一物理特性使得电磁波在浅地表环境中的传播行为变得复杂,导致解译难度提高。为此,开展雷达仿真模拟成为一种在不干预地下结构情况下提高解译精度的重要手段。在这一过程中,构建一个精准刻画地下介质电磁特性的数值模型是确保模拟结果有效贴合实际情况的关键。然而,现有的数值模型,包括等效均匀介质模型,随机场理论模型以及离散颗粒模型等,尽管各具优势,但普遍难以准确反映真实介质的电磁参数分布,降低了模型的准确性和仿真结果的可靠性。为此,本文提出一种能够精准刻画介质宏观连续性和微观离散性的精细电磁建模方法,具体研究工作如下: (1)提出一种联合离散元法和组分融合算法(离散元-组分融合算法)的混合建模方法,旨在构建精细的沥青混合料电磁模型。该建模方法的关键技术包括模拟动态力学行为、捕捉复杂几何形态、反映实际粒度分布、考虑材料参数波动等,结果表明该离散元-组分融合算法所模拟的介电参数分布更贴合实际情况。 (2)采用控制变量法对离散元-组分融合算法中的两项关键参数进行敏感性分析,根据结果拟合出用于优化参数配置的经验公式,有效提高该算法在各种不同设计空隙率条件下的准确性和适应性。 (3)围绕离散元-组分融合算法和传统随机序列吸附算法构建多组不同设计参数下的数值模型,并采用时域有限差分算法开展电磁仿真试验。基于仿真数据与实测数据之间的误差,来全面评价各模型的仿真效果。结果表明:与随机序列吸附模型相比,基于离散元-组分融合算法所构建的模型在预测介电常数方面的准确性更高,能更细致地反映空隙率变化的影响。 (4)基于离散元-组分融合算法的仿真结果和实验室的实测结果,从一维、二维到时频域维度,全面且系统地研究空隙率变化对电磁波的影响规律。结果表明:随着空隙率的增加,电磁波在介质中的传播速度加快,散射现象变得更加明显,使得信号的衰减和波动显著增加。同时,电磁波的散射机制从以瑞利散射为主转变为以米散射为主。