探地雷達數值模擬及程序實現 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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馮德山，王珣，戴前偉著 著

圖書標籤:

• 探地雷達
• GPR
• 數值模擬
• 有限差分
• 有限元
• 電磁波傳播
• MATLAB
• Python
• 算法實現
• 地球物理勘探
• 信號處理

店鋪： 文軒網旗艦店

齣版社： 中南大學齣版社

ISBN：9787548730736

商品編碼：25275558698

齣版時間：2017-11-01

作  者:馮德山,王珣,戴前偉 著 定  價:90 齣 版 社:中南大學齣版社 齣版日期:2017年11月01日 頁  數:258 裝  幀:精裝 ISBN:9787548730736 ●第1章緒論
●1.1引言
●1.2研究背景
●1.3國內外研究現狀及進展
●第2章探地雷達的電磁波基本理論
●2.1探地雷達基本原理
●2.2電磁波傳播的基本規律
●2.3激勵源
●2.3.1布萊剋曼-哈裏斯脈沖
●2.3.2雷剋子波
●2.4完全匹配層吸收邊界
●2.4.1坐標伸縮完全匹配層
●2.4.2半空間界麵的反射係數和無反射條件
●2.4.3坐標伸縮因子的復數頻率移位形式
●第3章探地雷達的時域有限差分法正演理論
●3.1Maxwell方程組和Yee元胞
●3.2直角坐標FDTD更新方程
●3.2.1三維問題的FDTD更新方程
●3.2.2二維問題的FDTD更新方程
●3.2.3一維問題的FDTD更新方程
●部分目錄

內容簡介

本書介紹探地雷達數值模擬技術及程序實現。全書共六章。靠前章介紹探地雷達數值模擬的曆史與現狀。第二章介紹探地雷達電磁波方程。第三章到第五章介紹二、三維時域有限差分算法及實例。第五章介紹有限單元法數值模擬及實例。第六章介紹有限單元法及有限差分法的原程序。 馮德山,王珣,戴前偉 著 戴前偉，男，漢族，博士，教授，博士研究生導師。1968年7月齣生於湖南省漣源市，1987年-1991年就讀於原中南工業大學地質係，獲應用地球物理專業學士學位，1991年-1997年碩博連讀獲中南工業大學應用地球物理專業博士學位，日本東北大學不錯訪問學者。1997年參加工作，2005年晉升教授，2006年被評為博士生導師。先後擔任中南大學地球物理勘察新技術研究所副所長、所長，中南大學信息物理工程學院黨委副書記。現為中南大學地球科學與信息物理學院黨委書記，學位委員會地質資源與地質工程學科評議組成員、《工程勘察》編委、湖南省地球物理學會副理事長、中國地球物理學會理事。主要從事電磁法勘探理論與應用、工等

復雜地質環境下的電磁波散射與成像技術 本書聚焦於現代地球物理勘探領域中，特彆是復雜地質結構背景下，電磁波在地下介質中的傳播、散射特性及其反演成像方法。全書緊密圍繞如何利用先進的數值模擬技術，構建高精度、高分辨率的地球物理模型，以期解決實際勘探中遇到的諸多難題。 第一部分：電磁波在非均勻介質中的傳播理論基礎 本部分係統闡述瞭適用於復雜地層環境的電磁波場正演模擬的理論框架。首先，深入探討瞭麥剋斯韋方程組在各嚮異性、非均勻電磁參數介質中的解析與數值求解方法。重點介紹瞭有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）以及邊緣元法（MEM）等主流數值方法在處理復雜邊界條件和材料不連續性時的適用性與局限性。 書中對時間域有限差分（T-FDM）方法進行瞭詳盡的推導與分析，特彆是針對高精度吸收邊界條件（PML）的構建和優化，確保瞭模型邊界對模擬結果的乾擾最小化。同時，對比瞭頻域方法在處理寬帶源激發信號時的優勢，尤其是在建立大規模稀疏矩陣求解體係時的挑戰與應對策略。 此外，復雜介質的錶徵至關重要。本部分詳細討論瞭如何將實際地質模型（如裂隙帶、岩溶、斷層破碎帶）精確地映射到數值網格中，包括網格自適應細化技術在電磁波傳播路徑上的應用，以提高對關鍵地質體邊界的描述精度。還包括對介質非綫性電磁響應的初步探討，盡管這通常需要更復雜的本構關係描述。 第二部分：散射理論與逆散射問題的數值建模 逆問題是地球物理勘探的核心。本部分將理論基礎延伸至電磁波在復雜目標體上的散射機理，並著重於構建可靠的散射數據反演成像算法。 首先，詳細剖析瞭Born近似和Rytov近似在不同散射強度下的適用範圍，並指齣瞭這些綫性近似在麵對強散射體（如高導或高阻異常體）時失效的根本原因。在此基礎上，本書重點介紹瞭全波形反演（Full Waveform Inversion, FWI）的基本思想及其在電磁波勘探中的發展。 FWI的實現依賴於高效的伴隨狀態法（Adjoint State Method）來計算目標函數關於模型參數的梯度。本書詳細構建瞭頻域和時域下的伴隨方程組，並探討瞭在處理大規模三維問題時，如何利用GPU加速技術來並行化梯度計算。針對非凸目標函數導緻的局部最小值問題，本書探討瞭正則化技術（如Tikhonov正則化、L1範數約束）和預處理技術（如預條件共軛梯度法）在穩定和加速收斂過程中的作用。 特彆地，針對地錶高程起伏和近地錶不均勻性對淺層成像質量的影響，書中提齣瞭一種分層迭代的成像策略，即先利用簡單模型反演齣背景場，再將背景場作為先驗信息嵌入到後續的精細反演迭代中，以有效抑製錶麵波和高次諧波的乾擾。 第三部分：麵嚮特定應用場景的數值模擬與數據解釋 本部分將理論和算法應用於實際的地球物理勘探場景，展示數值模擬在解決實際工程問題中的能力。 3.1 淺層大功率電磁勘探模擬： 針對淺層高導環境下的瞬變電磁法（TEM）和頻率域電磁法（FDEM），本書側重於模擬電磁場在強衰減和高背景電導率介質中的演化過程。討論瞭如何通過高動態範圍的數據采集模擬來優化接收器的布局，並設計瞭專門用於去除或補償工業噪聲乾擾的濾波算法。在模型構建上，重點模擬瞭城市化區域常見的人工金屬管綫和地下構築物對電磁場的“遮蔽效應”。 3.2 深部介質結構探測的數值挑戰： 在深部地殼和地幔結構研究中，勘探深度遠大於源-接收偏移距，這要求數值模擬必須具備極高的計算效率和極大的模型空間覆蓋能力。本書探討瞭長偏移距激發源（如走深源）的場源建模技術，以及如何利用高階有限元方法來精確描述長波長、低頻信號的傳播特性。針對深部岩漿活動等高風險目標，書中詳細闡述瞭如何通過多物理場耦閤模擬（如電性與熱力學的初步耦閤）來約束地質模型的物理參數範圍。 3.3 復雜斷裂帶與礦體識彆： 在油氣和礦産資源勘探中，復雜斷裂帶往往是流體運移或礦化富集的關鍵控製因素。本書展示瞭如何利用數值模擬來區分由裂隙密度變化引起的電導率梯度與由含礦硫化物引起的離散電導率異常。模擬過程特彆關注瞭各嚮異性參數（如電導率的主方嚮）對電磁響應的敏感性，並指導瞭如何通過優化觀測幾何（如垂直電磁法 VTEM 的俯視采集）來最大化對各嚮異性特徵的識彆能力。 第四部分：麵嚮實際工程的數據處理與可視化 模擬的最終目的是服務於數據解釋。本部分側重於將龐大的模擬數據集轉化為直觀、可解釋的工程成果。 首先，介紹瞭如何生成具有真實噪聲特徵的“閤成數據”，用於測試和優化實際數據處理流程的魯棒性。這包括對環境噪聲、儀器噪聲以及源偏離誤差的統計建模。 其次，詳細描述瞭三維電磁數據的成像後處理技術，包括基於波的成像技術，如遷移成像（Migration Imaging）在電磁場中的應用，旨在將散射能量準確地定位到地下真實地質界麵上。討論瞭如何有效地將數值模擬結果與地質信息進行約束融閤，例如，利用已知的鑽孔數據或地震資料來限製反演過程中模型參數的物理閤理性。 最後，本書提供瞭多種三維可視化方案，用於展示電磁場在復雜模型中的分布、反演結果的置信度圖以及不同迭代步長下的模型收斂趨勢，幫助使用者從直觀上理解數值模擬對地下結構識彆的貢獻。 本書旨在為地球物理、石油天然氣、環境與工程地質等領域的科研人員和工程技術人員提供一套嚴謹的理論指導和實用的數值工具框架，以期在復雜地質環境下實現更精準、更可靠的電磁波場探測與成像。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計實在太用心瞭，拿到手裏就能感受到作者對細節的打磨。封麵那深邃的藍色調，配上精妙的幾何綫條和微光處理，立刻就營造齣一種探索未知、深入地下的神秘感。內頁紙張的質地也非常考究，觸感溫潤，即便是長時間閱讀也不會感到疲勞。我特彆喜歡那種清晰銳利的印刷字體，每一個公式、每一個圖錶的綫條都界限分明，這對於理解復雜的理論模型至關重要。翻開前言，就能察覺到作者在遣詞造句上的深厚功力，他沒有直接拋齣乾澀的技術術語，而是像一位經驗豐富的老教授在循循善誘，用一種近乎詩意的筆觸引導讀者進入這個高深莫測的領域。比如，他描述電磁波在復雜介質中傳播的場景時，那種畫麵感極強的文字，一下子就將原本抽象的物理概念具象化瞭。這種對閱讀體驗的重視，遠超齣瞭普通技術書籍的範疇，更像是一件精心製作的藝術品。這本書的排版布局也值得稱贊，章節之間的過渡自然流暢，大量的插圖和案例分析穿插得恰到好處，使得整個閱讀過程像是在進行一次有條不紊的、充滿美感的認知旅程，而不是枯燥的知識堆砌。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容組織邏輯性極強，簡直是一部嚴謹的學術史詩。作者似乎對這個學科的發展脈絡有著超乎尋常的掌控力，他沒有采取簡單的技術羅列，而是構建瞭一個清晰的、層層遞進的知識體係框架。初讀之下，你會發現它從最基礎的麥剋斯韋方程組的推導開始，每一步都走得極其紮實，仿佛在為讀者打下堅不可摧的地基。隨後，關於各種邊界條件處理的討論，展示瞭作者處理實際工程問題的深厚經驗，那些教科書上往往一筆帶過、卻在實際操作中睏難重重的環節，在這裏被剖析得淋灕盡緻。我尤其欣賞作者在介紹不同數值方法（比如有限差分、有限元等）時的對比分析。他沒有偏袒任何一種方法，而是客觀地指齣瞭每種方法的適用範圍、優缺點以及在特定地下結構建模中的局限性，這種辯證的思維方式，讓讀者能真正掌握“選擇”的藝術，而不是盲目套用公式。這種由宏觀理論到微觀細節，再到工程實踐的遞進結構，保證瞭即便是初學者也能步步為營，而資深研究人員也能從中找到新的啓發點。

評分☆☆☆☆☆

這本書的價值體現在它所提供的“思維工具箱”，而非僅僅是知識點的堆砌。通過閱讀，我深刻體會到作者對研究範式的理解和把握。他不僅展示瞭如何解決既有的、經典的問題，更重要的是，他培養瞭我們麵對未來未知挑戰的能力。在探討反演問題的章節中，作者著重闡述瞭數據不足和噪聲乾擾對結果可靠性的影響，並提齣瞭基於貝葉斯框架的概率性解釋方法，這體現瞭當代地球物理研究的前沿趨勢——從確定性走嚮不確定性量化。這種前瞻性的視野，讓這本書的內容保持瞭很強的生命力，不會因為技術的快速迭代而過時。更讓我受益匪淺的是作者在某些案例分析中展現齣的批判性思維：他敢於質疑傳統模型的局限性，並勇敢地嘗試引入新的數學工具來剋服這些障礙。這種勇於創新、不拘泥於既有框架的精神，比任何一個具體的公式都要寶貴，它激勵著我們以更加開放和審慎的態度去麵對未來的科研工作。

評分☆☆☆☆☆

這本書在理論深度和工程實用性之間找到瞭一個近乎完美的平衡點，這在同類著作中是極其罕見的。它不僅僅停留在對現有方法的介紹，更深層次地揭示瞭背後的物理機製和數學原理。書中對電磁波在非均勻、各嚮異性介質中傳播的散射理論進行瞭深入的探討，很多公式的推導過程被細緻地展示齣來，對於那些希望從根本上理解算法“黑箱”的讀者來說，簡直是福音。我花瞭好大力氣去啃那些關於高頻近似和低頻極限的章節，發現作者在處理這些復雜條件下的近似誤差分析時，展現瞭驚人的數學功底。更令人驚喜的是，這種高屋建瓴的理論討論，很快就會被轉化成具體的工程應用場景。例如，在介紹如何優化探地雷達的發射源波形時，作者不僅給齣瞭理論模型，還結閤瞭實際探查淺層地質構造的案例，明確指齣在何種頻率範圍內，哪種波形能最大程度地抑製錶麵雜波。這種“知其然，更知其所以然”的寫作風格，極大地提升瞭這本書的價值上限。

評分☆☆☆☆☆

我接觸過不少關於地球物理勘探的專業書籍，但很少有能像這本書一樣，在“計算”與“實現”這兩個維度上做得如此詳盡和深入。作者顯然是一位深諳編程藝術的實踐者，他不僅僅是提齣瞭算法，更是在引導讀者如何將這些復雜的數學模型轉化為高效、穩定的計算機程序。書中對數值離散化誤差的控製策略、內存管理的高效技巧，以及在不同硬件平颱上進行並行計算的初步思路，都進行瞭非常實用的闡述。特彆是關於邊界吸收層（PML）的具體代碼實現細節，那些教科書裏往往被簡化處理的“陷阱”問題，作者都在這裏進行瞭坦誠的剖析和解決方案的提供。這對於我們這些需要搭建自有仿真平颱的工程師來說，簡直是省去瞭無數次試錯的彎路。這種“手把手”的指導風格，使得這本書更像是一位耐心的導師，而不是冷冰冰的參考手冊。它成功地彌閤瞭純理論研究與實際軟件開發之間的鴻溝，讓讀者真正擁有瞭從零開始構建一個強大模擬工具的能力。