基于间断有限元法的探地雷达正演计算研究

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探地雷达方法(ground penetrating radar,简称GPR)是一种在目前被广泛关注与应用的较为新型的地球物理探测方法。探地雷达正演模拟是反演成像的基础,正演计算的精度与速度对于反演成像有着决定性的影响。目前常用的正演计算方法主要有:有限差分法(finitedifference method,简称FDM)、有限单元法(finite element method,简称FEM)等。本文讨论了一种求解探地雷达满足的波动方程的数值计算方法-间断有限元法(Discontinuous-galerkin Method)。间断有限元方法的特点在于单元界面上所求得的解,不需要满足解的连续性,而是在单元边界两侧使用间断的分片多项式代替有限元法中的连续函数。其优势在于,连续有限元方法的在进行区域求解过程时,单元分析之后需要总体合成,形成一个大型的方程组,对此方程组求解从线性代数理论出发,实则是为对大型方程组的系数矩阵进行计算,并对其求逆,工作量巨大,而使用间断有限元方法,因为其解在单元界面不需要满足连续性,就不需要进行总体合成,可以只进行单元分析,从而避免大型系数矩阵求逆的过程,节约运算空间和工作量。  本文回顾了探地雷达的基本原理与具体工作方式,并回顾了前人所做的GPR有限元正演模拟的具体步骤。并且介绍了应用间断有限元法求解偏微分方程的具体应用。  在探地雷达正演模拟中,从Maxwell方程组出发,推导了探地雷达满足的波动方程。详细介绍了间断有限元法的基本理论,介绍了空间离散方法和基函数,叙述了对于时间步长的几种解决方法,在边界处理方面,详细推导了单轴介质完全匹配层(Uniaxial mediumPerfectly Matched Layer,简称UPML)边界条件。最后通过对几种模型的正演计算进行对比分析研究有限单元法和间断有限元法对于相同模型的响应,证明将间断有限元法应用于探地雷达正演模拟计算可行性。对几个有特征的模型进行正演模拟,并且得到了相应的结论。  本文通过详细介绍间断有限单元法在探地雷达正演计算中的应用,对将间断有限元法应用于探地雷达正演计算做了可行性分析。结果证明,间断有限元法适用于探地雷达满足的波动方程的求解,并且得到了良好的效果,有助于探地雷达反演成像准确性的提高。同时加深了电磁波在地下介质中传播规律的理解与认识。  
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