有耗色散地质介质中的GPR脉冲传播研究

摘要

探地雷达(GPR)利用宽带电磁波以脉冲形式探测地表之下或确定不可视物体的内部结构。探地雷达的电磁脉冲在地下介质传播时衰减得很快，并常伴有色散。色散会导致电磁脉冲子波的畸变，影响电磁探测数据的解释，甚至会导致电磁探测的失败。深入分析GPR脉冲在有耗色散地质介质中的传播规律，是改进GPR探测数据解释方法的基础性工作。本文使用改进的FDTD方法研究GPR脉冲在有耗色散地质介质中的传播，论文的主要工作和成果如下： 1.结合GPR脉冲传播的特点，对FDTD算法中的总场边界条件进行了改进，讨论并编程实现了简便的完全匹配层(PML)条件，简化了计算，提高了效率。 2.对有耗色散介质中的麦克斯韦方程，通过对电位移D和电场强度E及磁场强度H进行标准化，使色散介质的本构关系只反映在计算电场强度E的过程中，编写了适合色散/非色散介质的通用FDTD电磁场模拟计算程序。 3.采用修正的FD2TD方法，对二阶德拜色散地质介质中GPR脉冲的传播进行了模拟，并与非色散地质介质中GPR脉冲的传播进行比较分析，探讨了影响GPR脉冲畸变的因素，为GPR探测数据的反演解释方法改进提供了事实基础。 4.采用理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了有耗色散地质介质的电性参数对不同频率电磁波传播的影响。介质的介电常数、电导率，直接影响GPR脉冲的传播速度及衰减；随工作频率的增大，电磁波的传播速度变快，衰减加强，因此如采用宽带脉冲探测，应考虑频散效应的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1选题依据及研究意义

1.2国内外相关研究现状

1.3研究思路

1.4研究的主要内容

1.4.1探地雷达方法原理

1.4.2 FDTD及其在计算电磁学中的应用

1.4.3色散介质中的FDTD方法

1.4.4数值模拟实验

1.5论文的主要工作和成果

第2章 探地雷达方法原理

2.1探地雷达的基本原理

2.2探地雷达的工作原理

2.2.1探地雷达电磁波方程

2.2.2探地雷达电磁波在不同介质交界面上的反射与透射

第3章 FDTD及其在计算电磁学中的应用

3.1时域有限差分方法的基本概况

3.2 FDTD基本方程

3.2.1 Yee氏网格

3.2.2麦克斯韦方程的有限差分方法表示

3.2.3有耗媒质中归一化Maxwell方程的差分格式

3.3 FDTD的关键技术问题研究

3.3.1解的稳定性与数值色散

3.3.2入射波的加入---总场边界条件

3.3.3吸收边界条件-完全匹配层

3.4 FDTD算法计算机程序流程

3.5 FDTD算法验证

3.5.1地下不同埋深的有耗介质的FDTD正演模拟

3.5.2地下目标层为不同有耗介质的FDTD正演模拟

第4章 色散介质FDTD方法

4.1辅助微分法

4.1.1基本方程式

4.1.2转换公式

4.2改进的递推卷积积分法

4.2.1基本方程式

4.2.2转换公式

4.3色散介质FDTD算法验证

5章 数值模拟实验

5.1 GPR脉冲电磁波的相速度与介质电性参数及频率的关系研究

5.2 GPR脉冲电磁波的衰减与介质电性参数及频率的关系研究

5.3介质参数色散的研究

结论

致谢

参考文献