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插值小波尺度法探地雷达数值模拟及四阶Runge Kutta辅助微分方程吸收边界条件
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O174.2[理学—数学;理学—基础数学]
  • 作者机构:[1]中南大学地球科学与信息物理学院,长沙410083, [2]中南大学,有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室,长沙410083
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:41574116); 中南大学创新驱动项目(批准号:2015CX008)、中南大学教师研究基金(批准号:2014JSJJ001)和中南大学升华育英人才计划资助的课题; 教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号:NCET-12-0551).
中文摘要:

应用迭代插值方法构造了插值小波尺度函数,并将该尺度函数的导数用于离散Maxwell方程组的空间微分,使用四阶Runge Kutta(four order Runge Kutta,RK4)算法计算时间导数,导出了插值小波尺度法的探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演公式,与常规的基于中心差分的时域有限差分算法(finite difference time domain,FDTD)相比,插值小波尺度算法提高了GPR波动方程的空间与时间离散精度.首先,采用具有解析解的层状模型,分别将FDTD算法及插值小波尺度法应用于层状模型正演,单道雷达数据与解析解拟合表明:相同的网格剖分方式,插值小波尺度法比FDTD具有更高的精度.然后,将辅助微分方程完全匹配层(auxiliary differential equation perfecting matched layer,ADE-PML)边界条件应用到插值小波尺度法GPR正演中,在均匀介质模型中对比了FDTD-CPML(坐标伸缩完全匹配层),FDTD-RK4ADE-PML、插值小波尺度RK4ADE-PML的反射误差,结果表明:插值小波尺度RK4ADE-PML吸收效果优于另外两种条件下的吸收边界.最后,应用加载UPML(各向异性完全匹配层)的FDTD和RK4ADE-PML的插值小波尺度法开展了二维GPR模型的正演,展示了RK4ADE-PML对倏逝波的良好吸收效果.

英文摘要:

Ground penetrating radar(GPR) forward is one of the geophysical research directions. Through the forward of geological model, the database of radar model can be enriched and the characteristics of typical geological radar echo images can be understood, which in turn can guide the data interpretation of GPR measured profile, thereby improving the GPR data interpretation level. In this article, the interpolating wavelet scale function by using iterative interpolation method is presented, and the derivative of scale function is used in spatial differentiation of discrete Maxwell equations.The forward modeling formula of GPR based on the interpolation wavelet scale method is derived by using fourth-order Runge-Kutta method(RK4) for calculating the higher time derivative. Compared with the conventional finite difference time domain(FDTD) algorithm based on the central difference method, the interpolation wavelet scale algorithm improves the accuracy of GPR wave equation in both space and time discretization. Firstly, the FDTD algorithm and the interpolation wavelet scale method are applied to the forward modeling of a layered model with analytic solution.Single channel radar data and analytical solution fitting indicate that the interpolation wavelet scale method has higher accuracy than FDTD, with the same mesh generation used. Therefore, auxiliary differential equation perfectly matching layer(ADE-PML) boundary condition is used on an interpolation wavelet scale, and the comparisons between reflection errors obtained using CPML(FDTD), RK4ADE-PML(FDTD), and RK4ADE-PML(interpolating wavelet scales) in a homogeneous medium model show that the absorption effect of RK4ADE-PML(interpolating wavelet scales) is better than the other two absorbing boundaries. Finally, interpolation wavelet scale method, with both UPML, FDTD and RK4ADE-PML loaded, is used for two-dimensional GPR forward modeling, showing good absorption effect for evanescent wave. From all the experimental results, the followin

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876