探地雷达有限元正演及介电参数反演 [Ground Penetrating Radar Finite Element Numerical Simulation and Dielectric Parame 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

　　《探地雷达有限元正演及介电参数反演》在回顾探地雷达（GPR）正演及反演研究现状的基础上，对有限单元法应用于探地雷达在常规介质，频散、随机和各向异性等特殊介质中的观测数据正演及介电参数反演进行了理论研究。分析了电磁波在常规、频散、随机和各向异性介质中的传播特征及异常体回波特征。研究了层状介质阵列天线探地雷达共中心点数据的速度分析方法及全波形反演技术，建立了相应的层状介质电磁波速度及介电参数反演流程，对今后探地雷达正演及介电参数反演的深入研究提供了可借鉴的经验。
　　《探地雷达有限元正演及介电参数反演》可供从事探地雷达正反演及应用领域的相关研究人员参考使用，也可作为高等院校相关专业的教师、研究生和高年级本科生的教学参考用书。

作者简介

　　王洪华，男，汉族，博士。1986年10月出生于江西省莲花县，现为桂林理工大学地球科学学院讲师。2015年毕业于中南大学，获地球探测与信息技术工学博士学位，攻博期间，于2013-2014年被选送日本东北大学做联合培养博士，主要从事探地雷达数值模拟及数据处理研究。博士学习期间，主持中南大学研究生科研创新项目1项（2013zzts053），参加与探地雷达相关的国家自然科学基金3项（41574116，41374118，41074085）。已发表学术论文10余篇，其中被SCI收录2篇，被EI收录4篇。
　　
　　戴前伟，男，汉族，博士，教授，博士生导师。1968年7月出生于湖南省涟源市，1987-1991年就读于原中南工业大学地质系，获应用地球物理专业学士学位，1991-1997年硕博连读获中南工业大学应用地球物理专业博士学位，日本东北大学高级访问学者。1997年留任中南工业大学教学，2005年晋升教授，2006年被评为博士生导师。先后担任中南大学地球物理勘察新技术研究所副所长、所长、中南大学信息物理工程学院党委副书记。现为中南大学地球科学与信息物理学院党委书记、国务院学位委员会地质资源与地质工程学科评议组成员、《工程勘察》编委、湖南省地球物理学会副理事长、中国地球物理学会理事。主要从事电磁法勘探理论与应用、工程与环境地球物理的教学科研工作。近年来主持国家“863”计划课题l项，国家“十一五”科技支撑计划课题1项，国家自然科学基金项目1项，省部级课题5项，校企横向科研合作项目20多项，参与以上各类项目30多项。参与撰写专著3部，获省部级奖4项，发表学术论文90多篇，其中被El、SCI收录30余篇。
　　
　　冯德山，教授，男，博士，教授，博士生导师。中南大学地球科学与信息物理学院应用地球物理系主任、湖南省地球物理学会副秘书长，国家自然科学基金评审专家，湖南省及浙江省自然科学基金评审专家。2012年入选教育部新世纪优秀人才、升华育英优秀人才支持计划项目、湖南省普通高校青年骨干教师。主要从事地球物理数据处理、正演模拟与反演成像、小波分析等理论与方法研究，尤其是在探地雷达的数值模拟及偏移处理方面取得了一定的成果积累。已发表专业论文60余篇，其中被SCI收录8篇、被EI收录19篇、被ISTP收录2篇；主持国家自然科学基金项目3项（41574116，41074085，40804027），主持完成湖南省自然科学基金重点项目（09JJ3084）1项，教育部高等学校博士学科专项科研基金新教师基金项目（200805331082）1项，湖南省科技计划项目（2008TP4013-2）1项，参与完成国家十一五科技支撑计划项目2项（2006BAC07B00-2，2007BAK24802）。2011年获得了中南大学西南铝优秀教师奖及2011年本科教学优秀质量奖，获得中国有色金属科技一等奖1次，以*一完成人获得软件著作权2项。

内页插图

目录

1 绪论
1．1 研究的目的和意义
1．2 GPR正演模拟研究现状
1．3 GPR反演研究现状
1．3．1 地下介质电磁波速度分析方法研究现状
1．3．2 GPR介电参数反演研究现状
1．4 本书章节安排和主要研究工作

2 常规介质的GPR有限元正演模拟
2．1 电磁波传播的基本规律
2．1．1 Maxwell方程组
2．1．2 本构关系
2．1．3 GPR波动方程
2．2 GPR波动方程二维有限元求解
2．2．1 伽辽金法推导GPR二维有限元方程
2．2．2 中心差分法求解GPR二维有限元方程
2．2．3 中心差分法的数值稳定性条件
2．3 GPR有限元正演模拟中的UPML边界条件
2．3．1 UPML边界条件
2．3．2 UPML与传统吸收边界条件的吸收效果对比
2．4 GPR二维有限元正演模拟实例
2．4．1 起伏界面模型
2．4．2 “V”字形模型
2．4．3 三圆模型
2．4．4 两层起伏地形模型
2．5 GPR波动方程三维有限元求解
2．5．1 伽辽金法推导GPR三维有限元方程
2．5．2 GPR三维有限元正演模拟实例
2．6 本章小结

3 特殊介质的GPR有限元正演模拟
3．1 频散介质的GPR有限元正演模拟
3．1．1 频散介质模型
3．1．2 频散介质中GPR波动方程
3．1．3 频散介质的GPR有限元正演模拟算法
3．2 频散介质的GPR有限元正演模拟实例
3．2．1 均匀频散介质模型
3．2．2 半非频散半频散介质模型
3．2．3 两圆异常体频散介质模型
3．3 随机介质模型
3．4 随机介质的GPR有限元正演模拟实例
3．4．1 半均质半随机介质模型
3．4．2 含矩形异常体随机介质模型
3．5 各向异性介质的GPR有限元正演模拟
3．5．1 各向异性介质模型
3．5．2 各向异性介质中GPR波动方程
3．5．3 各向异性介质的GPR有限元正演模拟算法
3．6 各向异性介质的GPR有限元正演模拟实例
3．6．1 均匀各向异性介质模型
3．6．2 半各向同性半各向异性介质模型
3．6．3 矩形异常体各向异性介质模型
3．7 圆形异常体在三种特殊介质中正演结果对比
3．8 本章小结

4 基于阵列天线观测的GPR数据CMP速度分析
4．1 阵列天线观测方法原理
4．1．1 阵列天线系统
4．1．2 阵列天线系统的CMP数据提取方法
4．2 CMP速度分析方法
4．2．1 CMP测量原理
4．2．2 CMP数据处理
4．2．3 CMP速度谱计算
4．2．4 CMP速度分析方法的正确性和可行性验证
4．3 特殊介质正演数据的CMP速度分析
4．3．1 频散介质
4．3．2 随机介质
4．3．3 各向异性介质
4．4 阵列天线观测数据的CMP速度分析
4．4．1 沙层阵列天线观测及CMP速度分析
4．4．2 海啸层阵列天线观测及CMP速度分析
4．5 本章小结

5 GPR阻尼最小二乘法全波形反演
5．1 GPR阻尼最小二乘法全波形反演算法
5．1．1 反演方程组的推导
5．1．2 差分法雅克比矩阵的求解
5．1．3 奇异值分解法求解反演方程组
5．2 正演数据的GPR全波形反演
5．2．1 两层介质模型
5．2．2 倾斜界面模型
5．3 实测数据的GPR全波形反演
5．3．1 实测GPR数据的采集及CMP速度分析
5．3．2 GPR实测数据的全波形反演
5．4 本章小结

6 总结
6．1 主要研究成果及创新点
6．2 不足之处及今后的研究工作
参考文献

前言/序言

　　探地雷达（GPR）作为一种对地壳浅部进行地球物理勘探的重要新技术，已广泛应用于水文、工程、环境、考古等领域，解决了很多工程实际问题。近年来，随着工程应用领域的快速扩展，GPR理论也得到了很大的发展，但其实测资料的解释仍以定性为主，要实现从定性解释到定量解释的质的飞跃，目前的探地雷达正反演技术还有待深入研究。
　　有限单元法作为一种高精度的正演算法，可利用非规则网格精确离散复杂地电结构，是目前电磁场领域应用最广泛的数值计算方法。GPR反演是实现将观测资料从定性解释到定量解释的可行手段，也是该领域的研究热点。
　　本书主要研究了GPR在常规介质及频散、随机和各向异性等特殊介质中的有限元正演算法、共中心点数据速度谱分析方法及全波形反演技术，分析了电磁波在各种介质中的传播特征和异常体回波特征，并建立了相应的介质电磁波速度及介电参数反演算法及流程。
　　全书共分为7章：第1章绪论部分介绍了相关研究的背景和进展：第2章从GPR的基本理论和电磁波传播的基本规律入手，介绍了有限单元法在GPR于常规介质中正演的流程，推导常规介质中的GPR有限元方程及其中心差分法求解公式，比较了透射边界条件、Sarma边界条件及各向异性完全匹配层边界条件的吸收效果，开展GPR二、三维正演模拟；第3章在介绍了频散、随机和各向异性介质基本概念的基础上，分别推导了频散、随机和各向异性介质的GPR有限元方程，并开展一些模型正演计算，分析了电磁波在这些特殊介质中的传播规律及异常体的反射回波特征；第4章从GPR天线阵列系统、共中心点数据速度谱分析方法两方面入手，开展了常规、频散、随机、各向异性介质正演数据的速度谱分析研究，并通过模型试验验证了该方法的正确性和可行性，最后利用该技术应用于实测数据的反演解释中，实现了在地下二维介质中速度的反演；第5章介绍了GPR全波形反演的概念，并给出了阻尼最小二乘法全波形反演算法的详细流程，在此基础上，开展了正演和实测数据的反演，验证了反演算法的正确性和可行性；第6章是结论，对本书的主要研究成果和创新点进行了总结，对有限单元法、共中心点数据速度谱分析和阻尼最小二乘法分别在GPR正演和反演领域中的研究方向进行了分析和展望。
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