基于GprMax的道路空洞三维探地雷达正演数值模拟

探地雷达(GPR)方法具有高效、高分辨率、无损探测等优势,广泛应用在城市道路病害体探测中。三维探地雷达是近年来发展起来的新技术,通过三维阵列天线进行三维数据采集,对道路病害体具有更高的空间分辨率和测量精度。本文利用基于三维时域有限差分方法原理的GprMax 3D软件,针对以空洞为代表的典型道路病害体,开展充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟工作,获得两种不同填充类型空洞的三维雷达数据体,对数据体不同方向的图像特征进行分析,并结合工程实例,验证了正演模拟结果的可靠性。该研究对三维探地雷达实测图像解译和提高检测结果判定的可靠性具有重要的指导意义。     

隧道衬砌空洞探地雷达图谱正演模拟研究

探地雷达作为一种高效、先进的无损检测设备,能够对隧道衬砌实施连续扫描,实时获得雷达图谱。然而,由于探地雷达在我国的应用时间还非常短暂以及雷达图谱的复杂性,隧道衬砌空洞探地雷达图谱的辨识还存在一定的问题。据此,通过不同环境的试验得到空洞雷达图谱特征,并利用二维时域有限差分法对衬砌空洞雷达图谱进行正演模拟。采用VC++语言编写探地雷达正演模拟程序,对隧道衬砌检测中常见的几种空洞模型进行正演模拟,得出模拟波形和图谱,并与实测隧道衬砌空洞的探地雷达波形和图谱进行对比。结果表明,模拟图谱与实测结果相似,具有较明显的空洞特征。良好的结果也验证了二维时域有限差分法（2D-FDTD）正演模拟的可行性。     

路基病害的探地雷达正演模拟与探测

探地雷达勘探是一种分辨率比较高的工程地球物理方法,对道路路基中存在的局部脱空、不密实和含水丰富等病害有明显的异常反应。这里介绍了地质雷达在路基中的探测原理,在分析不良地质现象与围岩之间的结构和介电性差异特征的基础上,设计了较为合理的正演模型,通过GPRMax2D软件进行正演模拟,分析正演模拟图像的波形、频率、振幅、相位等特征,总结了路基病害在雷达图像上的信号特征,并通过对实测雷达图像的解译,对道路病害的雷达反射波的频谱特征做了进一步研究,可为道路路基病害探测的地质雷达数据解译提供参考。     

探地雷达探测季节性冻土的正演模拟

随着季节的变化,季节性冻土区活动层在冻融过程中物性参数变化显著.以东北地区季节性冻土为研究对象,采用高斯随机粗糙面来模拟粗糙不平的冻结层和融化层界面,建立了能精细描述活动层非均匀性的随机介质模型,并进行了探地雷达正演模拟.研究结果表明:活动层的冻结深度和融化深度随季节而变化,其介电常数和电导率也随季节而变化;非均匀性的活性层、起伏不平的冻结层和融化层使雷达剖面中的散射波非常发育,随时间变化,融化层起伏越大,雷达剖面中的散射波能量越强,融化层和冻结层界面的反射波识别越难.同时,证明应用探地雷达监测季节性冻土的季节变化、冻结深度和融化深度的时间和空间变化是切实可行的.     

壁画空鼓病害的探地雷达正演模拟检测

通常西藏壁画地仗层的厚度不足10cm,有效去除直耦杂波是利用高频探地雷达识别壁画空鼓病害的关键,在此基础上计算空鼓的厚度。模拟制作西藏壁画地仗,在其内部预设深度和厚度各不相同的规则空鼓,通过正演模拟试验确定探地雷达的采集参数,积累数据处理的经验,并比较不同雷达天线的性能。结果表明,针对RAMAC探地雷达和Ground Vision数据采集、后处理软件,时窗深度宜为3ns左右,采样频率应不低于142GHz,效果最明显的两个滤波器是带通滤波和抽取均道。当雷达天线与细泥层地仗耦合较好时,中心频率1.6GHz和2.3GHz的雷达天线均能准确检测出深3cm左右、厚约2cm的空鼓,1.6GHz天线的极限垂直分辨率约0.5 cm。     

基于GprMax正演模拟及工程实例的地质雷达钢筋探测研究

通过建立钢筋混凝土模型,利用GprMax软件进行正演模拟,研究了地质雷达钢筋探测受钢筋直径、埋深、间距以及多层钢筋分布等因素的影响情况,提出了多个信号叠加形成的钢筋假象特征与识别方法,并结合工程探测实例进行对比分析。     

基于GPRSIM的水下砂层探地雷达正演

基于水和岩土介质的介电常数差异,应用GPRSIM软件研究在不同水深条件下二层介质的雷达响应特征.一般情况下,雷达天线频率为50 MHz时,勘探深度可达到10 m左右. 根据南京长江二桥桥址区的地质资料,建立含有水、淤泥质粉质黏土、粉细砂、砂砾卵石以及砾岩的水下砂体模型,并应用GPRSIM软件对该模型进行正演研究. 研究结果表明,天线频率为50 MHz、水深不超过4 m时,雷达影像能够较好地反映出水下各岩层的赋存状态,特别是能够圈定出水下砂层的厚度和分布范围,这为实际水下砂体的勘探提供了重要的理论依据.     

探地雷达波波动方程研究及其正演模拟

探地雷达广泛应用于地下水勘探，工程地质调查、城区地面土木工程、考古探测以及矿产资源开发等。本文着重讨论探地雷达在地下传播时的各种动力学特性（振幅，速度等），从本质上说明探地雷达波波动方程与地震波波动方程的一致性，从而为借用地震处理中的所有处理方法（迭加，偏移等）奠定理论基础，为探地雷达的成果解释提供新的途径。最后，以探地雷达波满足的波动方程为基础，正演模拟了探地雷达波在地下二维介质中的传播。实例表明：正演结果所得到的二维剖面与实际模型吻合，证实了探地雷达波波动方程的正确性。     

低频探地雷达探测冻土带天然气水合物正演模拟研究

通过对低频探地雷达在青藏高原冻土带环境下的探测深度、分辨率及反射特征分析的正演模拟来研究其在冻土带天然气水合物勘探中的可行性和关键参数.首先通过雷达测距方程计算确定了理论上探地雷达的最大探测深度与发射频率、地下介质电阻率、介电常数之间的关系,并根据电磁波反射理论计算满足冻土带天然气水合物探测深度所需的系统增益;随后通过低频探地雷达分辨率计算和仿真模拟来确定低频探地雷达在大尺度(200 m)范围的广义分辨率;最后参考已经发现天然气水合物的木里地区基本情况设计冻土及天然气水合物模型,利用时间域有限差分(FDTD)方法进行二维正演,获得了探地雷达信号在冻土带底界以及天然气水合物顶、底界的反射特征,为野外实测数据的处理及解释提供有用信息.研究结果表明,采用中心频率小于等于15MHz且系统增益大于165 dB的低频探地雷达在地表电阻率较高的冻土区能够满足天然气水合物储层的探测深度要求;分辨率计算及仿真模拟表明低频探地雷达在满足一定条件下在200 m深度可以达到探测深度1%的广义分辨率;探地雷达信号在冻土底界、天然气水合物顶、底界均存在明显的强振幅和频率突变特征;理论计算结果认为应用低频探地雷达直接探测冻土带天然气水合物是可行的.     

探地雷达隧道衬砌病害检测正演模拟及应用

随着经济地发展,基础设施也得到了快速地发展,而隧道衬砌病害检测也受到越来越多的重视,探地雷达作为一种无损检测方法,在隧道衬砌检测中的应用十分广泛,且效率高、效果好。这里依据探地雷达的基本原理,基于时域有限差分正演模拟了隧道衬砌中含不同异常体的雷达图像特征。根据正演计算了空洞的尺寸,与理论模型对比验证了其准确性,并与实际检测图像作对比分析了隧道中病害的图像特征,为隧道衬砌病害识别提供借鉴。     

隧道不良地质现象的探地雷达正演模拟与超前探测

探地雷达是一种分辨率比较高的工程地球物理方法,对掌子面前方的溶洞、富水带、断层破碎带和裂隙带等不良地质现象有明显的异常反应。文中介绍了探地雷达在隧道超前预报中探测的原理、测线布置和数据采集方式,分析不良地质现象与围岩之间的结构和介电差异特征,设计合理的正演模型进行正演模拟,分析正演模拟图像的波形、频率、振幅、相位等特征,理论上总结了不良地质现象在雷达图像上的信号特征,并通过对实测典型雷达图像的解释,对不良地质现象的雷达反射波的频谱特征做进一步研究,可以为探地雷达在隧道超前预报中的解译提供参考。     

探地雷达时域有限差分法正演模拟

在以往雷达波的正演模拟中,借鉴地震波中成熟的正演模拟方法,均采用模拟声波方程的方法,精度不够高。因此从麦克思韦方程组出发,采用目前电磁场理论中最常用的时域有限差分法,对探地雷达进行了正演模拟。为了进一步说明其正确性,对正演模拟的结果又进行了偏移处理,从结果看出该方法的正确性及可行性。     

探地雷达探测桥梁浅基础缺陷的正演研究

桥梁基础作为桥梁重要的组成部分,由于长期的地质作用和外部因素总是容易出现缺陷、裂缝等桥梁基础病害.考虑到传统的探地雷达探测方法-Common-offset法很难解决桥梁基础病害问题,提出采用特殊的Common-souree法来探测桥梁基础病害.利用GprMax软件,来模拟桥梁基础的探测过程;将正常桥梁基础和缺陷型桥梁基础的正演结果进行对比,可以发现二者存在明显的差异.利用这些差异可以在实际探测过程中识别出存在病害的桥梁基础,证明利用探地雷达探测桥梁基础病害是切实可行的办法.     

复杂地电模型的探地雷达时域有限差分正演

目前探地雷达正演模拟。都是针对简单的层状模型、圆状空洞、正方形空洞等单一的规则模型,而对于地下弯曲的界面或“V”字形等复杂模型的正演,实现起来较为困难。然而,地下构造是复杂的,因此,对复杂地电模型的正演研究显得更为重要。这里以麦克斯韦两个旋度方程为基本出发点,运用K.S.Yee的空间网格模型理论和时域有限差分法的基本原理,推导出二维空间的探地雷达正演方程组,通过讨论数值频散关系及其产生原因,推导出符合探地雷达实际传播规律的理想频散关系。为解决正演模拟时截断边界处的超强反射,采用了Mur超吸收边界条件．并以自制的探地雷达正演模拟程序为依托,对两个复杂的探地雷达模型进行了正演模拟,得到了正演剖面图。从其后模拟实例中的两正演剖面图可以看出,边界截断处的干扰波被大大地减少,消除边界反射后的雷达剖面能更好地指导工作人员进行地质解释,从而达到了把雷达的正演研究深入到复杂地电模型中去的目的,使正演研究更符合实际的地质情况。     

利用探地雷达探测地下空洞

简要介绍了探地雷达工作原理及其探测地下空洞的方法技术，以广州某地基勘察中地下空洞的检测为例，分析了地下空洞的雷达波组特征，总结了探地雷达时深剖面图的异常特征。指出该方法具有速度快、探测精度高、可获得连续结果等特点。经开挖验证，探地雷达异常特征与地下空洞实际位置相吻合。     

用Visual C++开发地质雷达正演模拟软件

从地质雷达的正演原理着手，通过对数值稳定性条件、数值频散关系、源的设计、边界条件等理论的探讨．用Visual C 语言编写出一套能对常见的二维地电模型进行正演模拟和对地质雷达的原始信息进行读取与写入的软件。     

山岭隧道空洞病害雷达探测图像影响因素的正演模拟研究

在目前的山岭隧道中往往存在空洞与脱空、裂缝、渗漏水等病害,普通病害检测方法常常会对隧道造成损伤,而且不能大范围快速检测,而探地雷达就能很好地解决以上问题,进行快速的无损检测。为提高探测效率和对图像准确解释,正演模拟是必须的。基于时域有限差分法(FDTD),利用模拟软件GprMax,作者做了山岭隧道空洞病害的雷达图像的正演模拟,模拟结果和实际模型比较吻合,进一步研究比较一系列影响雷达图像的因素,得出相关结论,为复杂探地雷达图像的识别提供了依据和经验,为建立此类图像识别的数据库打下了基础。     

探地雷达在多年冻土区正演模型研究及应用

通过探地雷达在多年冻土区的应用条件的分析,结合正演模拟和实例勘察,对比分析探地雷达对多年冻土区厚层地下冰的分布、埋藏深度、赋存情况以及对冻土类型的识别的有效性。研究结果表明,厚层地下冰与周围地质体存在巨大的介电常数差异,雷达波的相位特征、振幅大小、反射波和反射波组都出现较大的不同,使得探地雷达能有效地勘察厚层地下冰的各种特征;同时,对不同类型的冻土,因冰晶体的赋存情况及分布不同,结合坑探、钻探等其他地质勘察手段,也能有效地区分。     

探地雷达技术在道路路基病害探测中的应用

文章首先简要叙述探地雷达的工作方法和技术特点,介绍了探地雷达图像的分析处理过程(编辑标记、地形高程改正、距离修正、去除干扰信号和进行数字信号处理等),重点研究了道路路基存在较大空洞和不规则孔洞、地层软弱区、地层松散区、雨水或者地下水入侵路基层、路基产生沉陷、断层或裂缝等主要病害的探地雷达图像特征.文章还列举了两个应用工程实例,并论述了探地雷达在道路路基病害探测中应用的可行性和优越性.