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时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的应用

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中南大学学报（自然科学版） 2007年第5期38卷 975-980页

作者：冯德山戴前伟瓮晶波中南大学信息物理工程学院湖南长沙410083

应用小波伽略金方法,对Maxwell的2个旋度方程进行离散化,导出DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件。在此基础上,开发探地雷达MRTD法正演模拟程序。所开发的对三维立方体小空洞体模型进行正演模拟。研究结果表明:采用该程... 详细信息

应用小波伽略金方法,对Maxwell的2个旋度方程进行离散化,导出DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件。在此基础上,开发探地雷达MRTD法正演模拟程序。所开发的对三维立方体小空洞体模型进行正演模拟。研究结果表明:采用该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法;相应的正演合成三维剖视图及切片图指示了立方体小空洞体的雷达波空间的三维响应特征;模拟结果表明,采用时域多分辨率法可提高探地雷达探测的可靠性、准确度。

关键词：探地雷达时域多分辨法三维正演模拟 DB2小波基

隧道衬砌病害探地雷达三维正演模拟及工程验证

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中国铁道科学 2013年第4期34卷 46-53页

作者：舒志乐刘新荣刘保县王道良西华大学建筑与土木工程学院四川成都610039 重庆大学土木工程学院重庆400005 招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆400067

从Maxwell旋度方程出发,通过引入复介电常数和复磁导率,推导导电介质UPML吸收边界在考虑和不考虑磁损耗情况下各区的电场和磁场分量的时域差分公式。通过选取各区不同的匹配参数,建立模型区与UPML吸收边界电场和磁场分量的统一离散差分... 详细信息

从Maxwell旋度方程出发,通过引入复介电常数和复磁导率,推导导电介质UPML吸收边界在考虑和不考虑磁损耗情况下各区的电场和磁场分量的时域差分公式。通过选取各区不同的匹配参数,建立模型区与UPML吸收边界电场和磁场分量的统一离散差分公式。用MATLAB语言编制基于UPML吸收边界的图像可视化的探地雷达三维正演模拟程序。正演模拟衬砌内方形空洞三维地电模型,揭示方形空洞在不同显示剖面上的图谱特征。单剖面的响应特征类似"平锅盖形",z方向切片图定出空洞的形状;反射界面呈强负相反射异常,在立体剖视图中,空洞角点位置产生了2个交叉的双曲线绕射波。将该方法应用于现场隧道衬砌质量的检测,并开孔验证。结果表明:不密实区反射界面多且不规则,同相轴错断、零乱、不连续的较强反射能量团块状异常;在z方向切片图上能清楚反映隧道衬砌密实程度,并且判译直观、准确。

关键词：衬砌病害探地雷达导电介质吸收边界三维正演模拟隧道

无砟轨道CA砂浆层病害探地雷达检测及三维正演模拟

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铁道科学与工程学报 2021年第7期18卷 1679-1685页

作者：舒志乐朱思宇张华杰西华大学土木建筑与环境学院四川成都610039 中国航空油料集团有限公司西南公司四川成都610202

无砟轨道在长期列车荷载与外部环境的作用下其结构中CA砂浆层会出现空洞、脱空等损伤病害,这些损伤病害对铁路运营的安全产生巨大了的威胁。因此,对无砟轨道CA砂浆层的病害的防治与检测显得尤为重要。通过对多种无损检测方法的比对择优... 详细信息

无砟轨道在长期列车荷载与外部环境的作用下其结构中CA砂浆层会出现空洞、脱空等损伤病害,这些损伤病害对铁路运营的安全产生巨大了的威胁。因此,对无砟轨道CA砂浆层的病害的防治与检测显得尤为重要。通过对多种无损检测方法的比对择优,采用探地雷达的探测方式,基于时域有限差分法编制Matlab程序,对地电模型进行三维正演模拟,确定探地雷达技术的可行性,而后建立无砟轨道板物理模型,在CA砂浆层设置不同大小的空洞病害,并使用探地雷达对模型进行探测,验证技术的可行性。研究结果表明:轨道板中分布的钢筋网对无砟轨道CA砂浆层病害的检测有着不同程度的影响;设置正反探测路线,能够准确识别出处于钢筋网环境下的病害的位置;随着空洞直径的逐步缩小,空洞的信号特征成减弱趋势。

关键词：无砟轨道CA砂浆层探地雷达三维正演模拟病害探测模型试验

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堤防隐患瞬变电磁三维正演模拟及分析

长江科学院院报 2019年第10期36卷 146-150,156页

作者：周黎明陈志学周华敏付代光长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室

瞬变电磁法具有定位准确、探测深度大、不受地形起伏影响等优点,已经成为一种重要的地球物理勘测方式。为研究瞬变电磁法在堤防隐患探测中的应用,采用有限单元法对多种堤防隐患进行瞬变电磁三维正演模拟计算,通过对比三维正演计算结果... 详细信息

瞬变电磁法具有定位准确、探测深度大、不受地形起伏影响等优点,已经成为一种重要的地球物理勘测方式。为研究瞬变电磁法在堤防隐患探测中的应用,采用有限单元法对多种堤防隐患进行瞬变电磁三维正演模拟计算,通过对比三维正演计算结果和野外实测数据反演结果可以发现瞬变电磁法对低阻体敏感,对不同形态的低阻异常体探测效果均较好,因此采用瞬变电磁法进行堤防隐患快速普查的研究思路是可行的。研究成果可为物探技术在堤防隐患探测中的应用提供参考。

关键词：堤防隐患探测瞬变电磁法有限单元法三维正演模拟低阻体

探地雷达时域多分辨法(MRTD)三维正演模拟

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地球物理学进展 2008年第5期23卷 1621-1625页

作者：冯德山戴前伟中南大学信息物理工程学院长沙410083

应用小波伽略金方法,对Maxwell方程进行离散化,导出了DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件.在此基础上,开发了探地雷达MRTD(multi-resolution time domain)法正演模拟程序,该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷... 详细信息

应用小波伽略金方法,对Maxwell方程进行离散化,导出了DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件.在此基础上,开发了探地雷达MRTD(multi-resolution time domain)法正演模拟程序,该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法,并利用该自制程序,对三角形金属体模型进行了正演模拟,得到了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,可以加深对三维雷达反射特征的认识,提高探地雷达探测的可靠性、准确度,同时也说明时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的有效性.

关键词：探地雷达时域多分辨法三维正演模拟 DB2小波基

无砟轨道砂浆层病害联合检测模型试验及三维正演模拟

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无砟轨道砂浆层病害联合检测模型试验及三维正演模拟

作者：张华杰西华大学

学位级别：硕士

随着我国高速铁路的不断发展,无砟轨道在铁路工程中得到了广泛的应用,但是长期的列车荷载和复杂的外部环境会导致无砟轨道结构中砂浆层出现空洞、脱空等伤损病害。因此,合理地使用无损检测技术确定出砂浆层中伤损病害的具体情况具有重... 详细信息

随着我国高速铁路的不断发展,无砟轨道在铁路工程中得到了广泛的应用,但是长期的列车荷载和复杂的外部环境会导致无砟轨道结构中砂浆层出现空洞、脱空等伤损病害。因此,合理地使用无损检测技术确定出砂浆层中伤损病害的具体情况具有重要的工程价值。目前,应用于无砟轨道病害检测的无损检测技术中,探地雷达法和冲击回波法检测技术使用颇多,探地雷达法在检测时有检测速度快效率高等优点,但是易受钢筋等材料的影响,而冲击回波法在检测中虽然检测精度高,但缺点是检测速度相对较慢,合理地将两种无损检测技术联合起来对结构进行检测,则可以确保检测精度和速率。论文对无砟轨道模型开展联合检测试验,使用探地雷达法和冲击回波法两种无损检测技术对无砟轨道模型进行检测,总结出适合无砟轨道检测的联合检测方法,并通过Matlab软件编程模拟电磁波在无砟轨道模型中的传播特点。本文的主要研究内容如下:(1)设计并制作了无砟轨道物理模型,使用探地雷达仪器对该物理模型进行检测,使用相关软件对模型内砂浆层病害的检测图像进行了进一步分析。通过分析该无砟轨道模型砂浆层病害的检测图像,确定了探地雷达在对无砟轨道结构检测时的可行性及适用情况。(2)使用冲击回波法对无砟轨道物理模型中的伤损病害进行了检测,后期通过采集解析软件对检测得到的时域图和频域图进行分析,可以初步判断出病害的位置。使用软件对测区中每个测点的频谱图进行解析得到三维切片云图,方便直观的判断病害位置,在确定出病害的大致位置后,通过分析靠近病害区域各测点的频谱图可以计算出病害的具体深度。对比分析相同情况下,探地雷达法和冲击回波法检测模型各自的优势和缺点,提出合理的联合检测方法。(3)通过Matlab软件编写程序对探地雷达检测无砟轨道内部病害进行三维正演模拟,得到电磁波在模型内部传播的波场能量快照图。分析各种模型正演模拟得到的电磁波能量图,与探地雷达检测试验相对比,验证了电磁波在无砟轨道中的传播特性,同时也说明了联合检测的必要性。

关键词：无砟轨道探地雷达联合检测模型试验冲击回波法三维正演模拟

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大地电磁场静位移效应的三维正演模拟

大地电磁场静位移效应的三维正演模拟

作者：王华锋东华理工大学

学位级别：硕士

大地电磁法是近几十年发展起来的一种地球物理方法，它是通过观测天然场来研究地下深部地壳性质的，频率范围在102-10-4Hz之间，然而由于浅表不均匀体的存在，使得测得的视电阻率曲线在对数坐标系上发生上下平移，而阻抗相位曲线影响不... 详细信息

大地电磁法是近几十年发展起来的一种地球物理方法，它是通过观测天然场来研究地下深部地壳性质的，频率范围在102-10-4Hz之间，然而由于浅表不均匀体的存在，使得测得的视电阻率曲线在对数坐标系上发生上下平移，而阻抗相位曲线影响不大，这种现象称为静位移效应。然而在野外实际采集的数据中，阻抗相位曲线在笛卡尔坐标系中同样有上下平移的现象。为研究三维条件下的大地电磁场静位移效应，本文采用三维正演模拟的方法讨论受静位移影响的视电阻率和阻抗相位的畸变结果。通过前人的研究可知，目前正演计算的主要方法是交错采样有限差分方法，这主要是因为三维正演交错采样有限差分法的计算效率和计算精度都较为理想。本文系统地论述了大地电磁三维交错采样有限差分正演模拟算法的实现过程，并对其中的交错网格剖分、积分公式离散化、边界条件、方程组求解和三维张量阻抗等内容进行了详细的论述。为下一步正演模拟奠定了理论基础。在三维/三维情况下，本文通过建立了六种模型即浅表不均匀体电阻率变化、浅表不均匀体横向范围变化、浅层不均匀体顶界面纵向埋深变化、浅层纵向界面延伸范围变化（即断层大小的变化）、测点相对位置的变化和浅层不均匀体底界面纵向埋深变化六种地质模型，并对每种模型的TE模式视电阻率、TE模式阻抗相位、TM模式视电阻率、TM模式阻抗相位、TMTE视电阻率差值和TMTE阻抗相位差值六种参数进行了详细的分析。本文选取的三维正演交错采样有限差分法在320-1Hz范围内分为4个频段，并在每个频段内取10个频率点，共40个频率点。并对奇数频率点的六种响应数据曲线进行了分析，对于每种模型有6个曲线图，共得到36个视电阻率和阻抗相位曲线图。从而在不同频率范围不同响应数据分析了三维大地电磁法的静位移效应的产生机理。从而使当遇到这六种情况下时，对视电阻率曲线和阻抗相位曲线有了直观的了解，为更深入的探讨奠定了一定的基础。并确定了静位移效应随不同影响因素变化的定性和定量关系，为寻找有效的静位移校正方法做了基础工作。

关键词：大地电磁法静位移效应交错采样有限差分三维正演模拟

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基于时域谱元法的航空电磁三维正演模拟研究

基于时域谱元法的航空电磁三维正演模拟研究

作者：高宗慧吉林大学

学位级别：硕士

由于国家整体实力的提高,各类矿产及油气资源的战略储备意义日益突出。航空电磁法勘探作为应用地球物理学的一个重要分支,因其具有勘探速度快、效率高、无需地面人员进入勘探区等优势而广泛用于矿产资源勘探、工程和环境勘察、地热及地... 详细信息

由于国家整体实力的提高,各类矿产及油气资源的战略储备意义日益突出。航空电磁法勘探作为应用地球物理学的一个重要分支,因其具有勘探速度快、效率高、无需地面人员进入勘探区等优势而广泛用于矿产资源勘探、工程和环境勘察、地热及地下水勘查等领域。为获得地下三维电性构造特征,三维反演受到广泛关注,而三维反演需要三维正演作为支撑。因此,发展高精度、高效率的三维正演尤为重要。本文利用基于Gauss-Lobatto-Chebyshev（GLC）多项式的时域谱元法对航空电磁时间域响应进行三维正演模拟研究。谱元法与传统有限元或有限差分相比,既包含有限元法灵活剖分的特点,又包含谱方法的高精度特性,因此,谱元法可以满足对异常体灵活剖分和计算结果精度高的双重要求。为完成基于时域谱元法的航空电磁三维正演模拟研究,本文首先从时间域Maxwell方程组出发,分别推导出关于二次电场和总电场的矢量Helmholtz方程（控制方程）,利用GLC矢量插值基函数对单元内的电、磁场值进行谱展开,再结合伽辽金加权余量法和向后差分对控制方程分别进行空间离散和时间离散,然后按照一定顺序组装形成大型线性方程组并利用直接求解器求解,最后再次通过插值基函数得到接收点处的电磁响应。本文详细阐述了基于GLC时域谱元法的相关原理和航空电磁三维正演模拟理论,完成了精度验证,验证了网格剖分和插值基函数阶数对时域谱元法正演模拟精度的影响,并详细分析时间域航空电磁典型算例响应特征。具体内容包括以下几点:（1）详细推导基于二次场分离法和基于总场法的亥姆霍兹方程。首先将计算区域剖分为若干个小单元,在单元内采用GLC高阶矢量插值基函数对真解进行谱近似,结合伽辽金加权余量法和向后差分离散Helmholtz方程获得大型线性方程组,然后利用直接求解器对其进行求解,从而获得全域近似解,最后再次利用插值基函数计算接收点处的航空电磁响应。（2）详细介绍GLC高阶矢量插值基函数的构造方法。首先说明物理单元与参考单元的转换关系,继而在参考单元内构造高阶矢量插值基函数。同时GLC多项式具有解析表达式,因此可解析推导出单元矩阵的表达式,从而保证了三维正演模拟的计算精度。（3）完成精度验证,总结时域谱元法的正演模拟规律。本文将时域谱元法应用于时间域航空电磁三维正演模拟中,将层状模型的三维正演模拟解与一维解析解进行对比,验证了本文算法的可靠性。对基于二次场分离和基于总场法三维正演模拟解分别进行误差分析、效率比较,得出结论:针对本文情况,在保证相同计算精度条件下,采用基于二次场分离法的正演模拟计算效率更高;并且验证了通过提高谱元法矢量插值基函数的阶数或者细化剖分网格均可以提高数值模拟精度。（4）时间域航空电磁典型算例的响应特征分析。利用本文算法,计算典型三维模型对应的时间域航空电磁响应特征,数值模拟结果说明将时域谱元法应用到时间域航空电磁三维正演模拟中,对实际勘探和生产具有一定的指导意义。

关键词：地球物理电磁勘探时间域航空电磁三维正演模拟时域谱元法 GLC多项式

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适合起伏地表炮点波场延拓三维正演模拟

江汉石油科技 2015年第4期25卷 54-60页

作者：杨海生中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院

提出一种波形相对保真、运算效率更高的适合起伏地表炮点波场延拓三维正演模拟方法，炮点波场按波的传播方向延拓，运算中使用了适合起伏地表的波场延拓起始面技术，波形相对保真，无需横向叠加。其基本思路是：①根据惠更斯原理，按地... 详细信息

提出一种波形相对保真、运算效率更高的适合起伏地表炮点波场延拓三维正演模拟方法，炮点波场按波的传播方向延拓，运算中使用了适合起伏地表的波场延拓起始面技术，波形相对保真，无需横向叠加。其基本思路是：①根据惠更斯原理，按地震波的传播方向，将炮点波场从起伏地表炮点深度处开始逐层向下延拓，与界面反射系数相关，直至最深处 ②逐层向上延拓，并加上向下延拓时产生的新反射波炮点波场，直至起伏地表排列处，将炮点波场逐个地与其检波点波场相关，经反傅里叶变换后可以获得一个排列的地震合成记录。③重复上述步骤，得到整个三维工区的所有炮记录。用文中方法对三维逆断层高速透镜体模型的理论试算表明：地震合成记录的反射波和绕射波十分清晰，没有多次波、直达波和其它干扰波，信噪比高，所有炮的叠前深度偏移成像结果与地质模型完全吻合。

关键词：起伏地表炮点波场延拓三维正演模拟单程波动方程傅里叶变换叠前深度偏移