探地雷达波场数值模拟与成像

摘要

探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术,由于其具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强、探测分辨率高等方面的优势而被广泛应用于工程勘探中,因此,研究探地雷达基础理论和应用技术有重要意义. 本文从探地雷达波场数值模拟、偏移成像和回波信号处理三个方面进行了探讨.首先,介绍了时域有限差分法的基本原理,从麦克斯韦方程出发,建立二维空间中的时域有限差分方程,通过设置合适的激励源、网格尺寸、空间和时间步长进行计算.考虑到地下介质一般为有损耗媒质,模拟中采用通用完全匹配层(GPML)作为吸收边界条件来吸收向外的电磁波.对几个典型的地电模型进行了波场数值模拟,得到相应的探地雷达剖面图.其次,由于探地雷达原始数据剖面一般显示的是扭曲、失真的地下地质体结构,因此,需要对模拟出来的原始雷达剖面进行偏移处理,使雷达记录中的每个反射点都移到其真正位置.频率-波数域偏移由于采用FFT,其计算效率高,是比较经济的偏移方法,通过对模拟出来的探地雷达剖面进行频率-波数域偏移处理,得到偏移后的雷达剖面图,它反映了真实的地下地质体结构.最后,针对探地雷达目标回波信号中直达波干扰强的特点,在卡亨南一洛维(KL)变换的基础上,研究了基于小波域的KL变换方法,该方法利用了小波分析的时频局部化特性和多道探地雷达记录中直达波、目标回波信号的不同相关性,对探地雷达记录进行小波分解,得到多频段的小波剖面,对不同频段的小波剖面进行KL变换实现了直达波去除.对实验数据和实际数据进行了仿真,结果表明,该方法可以有效去除直达波,使目标信号得以突显.

目录

文摘

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1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2探地雷达基本工作原理

1.3探地雷达的特点和优势

1.4探地雷达研究现状与发展趋势

1.5本论文的主要工作和内容安排

2探地雷达波场数值模拟

2.1 FDTD的发展和应用

2.2 Maxwell方程与Yee氏网格

2.2.1 Maxwell方程

2.2.2 Yee氏网格

2.3二维空间中的时域有限差分方程

2.4数值稳定性

2.5激励源的选取

2.6吸收边界条件

2.7模型波场数值模拟

2.7.1点状模型

2.7.2倾斜界面模型

2.7.3多目标模型

2.8小结

3频率波数域偏移

3.1引言

3.2偏移归位基本概念

3.3频率波数域偏移基本原理

3.3.1惠更斯原理

3.3.2爆炸反射界面成像原理

3.3.3频率波数域偏移原理

3.4模型算例

3.4.1点状模型

3.4.2倾斜界面模型

3.4.3多目标模型

3.5小结

4探地雷达回波信号处理

4.1引言

4.2探地雷达回波信号模型

4.3信号处理技术

4.3.1 KL变换

4.3.2小波域KL变换

4.4实验数据和实际数据仿真结果

4.4.1实验数据仿真结果

4.4.2实际数据仿真结果

4.5小结

5总结与展望

5.1总结

5.2进一步研究方向

致谢

参考文献

在校期间发表的论文